Krahg Helge - Generaciones Cuanticas

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Generaciones cuánticasUna historia □٤ LA FÍSICA EN EL· SIGLO XX

ؤ همH elge K ragh

Traducción Daniel Duque Campayo

Ana Granados Sanandrés Manuel Sangüesa Lazcano

Revisión científica de José Alberto Pérez Diez

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índice

Prólogo vi؛

Primera parte: de la consolidación a la revolución

l Física finisecular: un modelo cambiante del mundo 3

2 El mundo de la física 13

3 Descargas en gases y lo que siguió 27

4 Arquitectura atómica 44

5 La lenta ascensión de la teoría cuántica 58

6 Física a bajas temperaturas 73

7 La relatividad de Einstein y de otros 86

8 Una revolución fallida 103

9 La física en la industria y en la guerra l is

Segunda parte: de la revolución a la consolidación

10 Ciencia y política en la República de Weimar 135

11 Saltos cuánticos 150

12 El surgimiento de la física nuclear 168

13 De dos partículas a muchas antipartículas 184

14 Implicaciones filosóficas de la mecánica cuántica 199

15 El sueño de Eddington y otras heterodoxias 211

16 La física y las nuevas dictaduras 222

17 Fuga y ganancia de cerebros 237

18 Del enigma del uranio a Hiroshima 249

/ H5

SV3

Tercera parte: progreso y problemas

19 Temas nucleares 269

20 Militarización y megatendencias 285

21 Descubrimientos de partículas 302

22 Teorías fundamentales 322

La cosmología y el renacimiento de la relatividad

24 Elementos de la física del estado sólido 356

25 Física de ingeniería y electrónica cuántica 371

26 La ciencia atacada, ¿la física en crisis? 384

27 Unificaciones y especulaciones 399

Cuarta parte: una mirada atrás

28 La física Nobel 417

29 Un siglo de física en retrospectiva 431

Apéndice. Lecturas recomendadas 443

Bibliografía 453

Prólogo

Este trabajo fue escrito entre 1996 y 1998, ante la sugerencia de Princeton University Press. O riginalm ente, cuando acepté la invitación para escribir un libro sobre la h istoria de la física duran te el siglo xx, pensé que sería una m ateria relativam ente fácil. P ronto m e espabilé. Debería haber sabido que sim plem ente no es posible escribir u n relato de un volum en equilibrado y razonablem ente com pleto de la física del siglo xx. Lo que sigue es un sustituto, una descripción bastante breve y m uy condensada de lo que creo que han sido los desarrollos más significativos en u n siglo de pensam iento y experim entación físicos que puede denom inarse com o el más im portan te siglo de la física.

El libro está estructurado en tres partes esencialm ente cronológicas. La prim era parte cubre el desarrollo en tre la década de 1890 a aproxim adam ente 1918, al final de la P rim era G uerra M undial. La segunda parte se concentra en el desarrollo entre las dos guerras, sobre 1918-1945, y la tercera parte se dedica al desarrollo en el resto del siglo. La división en periodos no debería ser controvertida, com o tam poco lo debería ser la decisión de em pezar a m ediados de la década de 1890 m ás que en 1900. Se acepta en general que la «física m oderna» em pezó con los grandes descubrim ientos de los años 1890 y no con la in troducción de la d iscontinuidad cuántica de Planck de 1900.

M e he esforzado en escribir un relato que llegue hasta el presente y que tam bién in cluya partes de m uy reciente progreso que norm alm ente se consideraría «no histórico todavía». Surgen problem as al escribir de m anera histórica sobre hechos recientes, pero éstos son problem as prácticos y no enraizados en la ciencia contem poránea yendo m ás allá del análisis histórico. El libro tiene una form a y tam año que excluye cualquier am bición de exhaustividad, p o r no decir com pletitud. En cualquier caso, una historia «completa» de la física del siglo xx no tendría sentido al ser im posible de rescribir desde un pun to de vista práctico. C om o la mayoría de los trabajos históricos, éste es selectivo y lim itado en su alcance y contenido. Las selecciones indudablem ente pueden ser criticadas. El m aterial que he elegido ha sido incluido p o r variadas razones, siendo una de ellas la disponibilidad de escritos y análisis históricos. El objetivo del li

V III Generaciones cuánticas

bro es dar cuenta del desarrollo de la física duran te un periodo de cien años que sea d igerible, inform ativo y suficientem ente representativo. Existen, inevitablem ente, m u chos objetos de estudio y subdisciplinas que no he incluido, en parte po r falta de espacio y en parte p o r falta de fuentes secundarias. Entre los tem as que había contem plado incluir en principio, 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 Tercer M undo y el debate posterior a 1950 concerniente a la in terpretación de la m ecánica cuántica. Sin em bargo, pienso que lo que se ha incluido no desm erece seriam ente, a pesar de los criterios de selección m ás o m enos arbitrarios, las tendencias generales en el progreso de la física m oderna.

El problem a de escribir u n inform e equilibrado es difícil, no solam ente en relación con las subdisciplinas y sus proporciones sino tam bién con relación a las naciones. La física siem pre ha sido internacional, pero sin duda algunas naciones han contribu ido m ás al progreso científico que otras. M i descripción es básicam ente una h istoria de la física en Europa y N orteam érica, con alguna m ención tam bién a las contribuciones ja ponesas. Esto es sim plem ente un reflejo de que las contribuciones im portan tes de la física se han distribuido entre las naciones y regiones geográficas. Guste o no, la m ayoría de las naciones del m undo prácticam ente no han desem peñado papel alguno en el desarrollo de la física m oderna. U na de las tendencias significativas del periodo de la posguerra ha sido la predom inancia de los físicos estadounidenses en una ciencia que originalm ente era europea. D ebido a esta predom inancia, y p o r la fuerte posición que los investigadores estadounidenses tienen en la historia de la ciencia, el conocim iento histórico de la física m oderna estadounidense es m ucho más rico que el de la de Europa y o tras regiones, incluyendo la antigua U nión Soviética. Es bastante posible que la predom inancia relativa de escritos sobre físicos estadounidenses haya causado que m i descripción se centre dem asiado en la escena estadounidense, pero teniendo en cuenta las circunstancias, no podía hacer m ucho para evitarlo.

Tom ados conjuntam ente, los veintinueve capítulos cubren un am plio espectro de la física, no sólo con respecto a los géneros y disciplinas, sino tam bién con respecto a las proporciones de la física. Siempre debería tener presente que la física (o las ciencias físicas) es u n área rica y de m últiples facetas que tiene im plicaciones m ucho m ás allá de los aspectos pu ram ente científicos relacionados con la física fundam ental. Q uise escribir un libro am plio, pero no tan am plio com o para que perdiera el norte de qué es d istintivam ente el m undo de la física. Este libro no está consagrado solam ente a los aspectos científicos o intelectuales de la física, pero tam poco se concentra en la historia social e institucional. Trata de integrar las distintas aproxim aciones o al m enos in cluirlas de un m odo razonablem ente equilibrado. Tam bién he prestado m ás atención a la física aplicada o de ingeniería de lo que es habitual. Ignorar la interfase física-tecnología y concentrarse en la llam ada física fundam ental solam ente, sin duda daría una descripción distorsionada de cóm o se ha desarrollado la física en este siglo. No es sólo que la m ayoría de los físicos del m undo está ocupada con aspectos aplicados de su ciencia, y así ha sido duran te la m ayor parte del siglo, sino que tam bién en su m ayoría

Prólogo IX

han sido las aplicaciones tecnológicas la vía por la que la física se ha convertido en una fuerza im portan te del cam bio social.

El público objetivo de este libro no es principalm ente físicos o especialistas en la historia de la ciencia. Es m i deseo que atraiga a un colectivo de lectores m ucho más amplio y que pueda servir como libro de texto en cursos de naturaleza interdisciplinar o en cursos introductorios de física y de historia. Con unas cuantas excepciones, he evitado las ecuaciones, y aunque el libro presupone algo de conocim iento de física, está escrito en su mayor parte a u n nivel elemental. M i decisión de evitar el aparato de las notas que a m enudo se ve com o un distintivo de los que se llaman a sí m ism os libros académicos es un intento de hacer que el texto sea más accesible a los lectores que no están familiarizados con el sistema de notas (a veces bastante artificial) de libros más eruditos. En casi todas las citas, he incluido referencias en el texto a fuentes donde pueden encontrarse con facilidad. Más que referirme a la fuente original, en m uchos casos he hecho referencia a una fuente posterior, secundaria, m uy a m enudo el lugar donde recogí la cita. En un libro de estas características, no tiene sentido incluir num erosas referencias a antiguos artículos científicos 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 medida, basado en fuentes secundarias, sobre todo los num erosos buenos libros y artículos escritos por historiadores de las ciencias físicas. También he extraído con libertad y de m anera extensa de algunos de mis trabajos anteriores sobre la historia de la física m oderna, la química, la tecnología y la cosmología.

El problem a de las fuentes es bastante distinto en relación con la física en el últim o tercio o cuarto de siglo. M ientras que existe u n a abundancia de fuentes secundarias que lidian con progresos más antiguos en la física, escritos bien p o r h istoriadores o bien po r participantes, sólo hay unos cuantos análisis históricos de la física posterior a 1960 (la física de altas energías es u n a excepción). En esta parte de la cronología, he tenido que cim entar m i inform e en el m aterial útil que existe, en las recopilaciones de los físicos m ás o m enos inform ados de la h istoria y en un análisis no m uy sistem ático de lo que he pod ido encon trar en artículos y reseñas científicas. Physics Today ha sido una fuente fiable; las referencias a esta publicación en la tercera parte están abreviadas com o PT. La bibliografía y el apéndice de «lecturas recom endadas» recogen una b u e na selección de la literatura que los lectores quizá deseen consultar para poder p ro fundizar en los tem as cubiertos por este libro.

El títu lo de trabajo del libro era orig inalm ente Revolución a través de la tradición. Con este títu lo quería referirm e a la dialéctica entre las teorías existentes y los cam bios revolucionarios que han sido característicos de la física duran te el siglo xx. Desde luego que ha habido revoluciones en las estructuras teóricas de la física, pero éstas no han sido rechazos en bloque de las tradiciones clásicas, m uy al contrario , han estado sólidam ente enlazadas con partes esenciales de la física de N ew ton, Maxwell y H elm holtz. La teoría de la relatividad y la m ecánica cuántica, indudablem ente las dos m ayores revoluciones del pensam iento físico del siglo xx, se construyeron cuidadosam ente para corresponderse con las teorías clásicas dentro de los lím ites clásicos.

X Generaciones cuánticas

El respeto p o r las tradiciones ha sido asim ism o un hilo conductor en los mayores cam bios teóricos que han ocurrido después de com pletar la m ecánica cuántica. H asta el pu n to de que éstas puedan ser calificadas com o revolucionarias, han sido revoluciones conservadoras. Los cam bios han sido m ucho m enos im portan tes en el ám bito m etodológico que en el cognitivo. H an ocurrido algunos cam bios, pero no de una n a tu raleza fundam ental. Básicamente, los m étodos aceptados p o r la ciencia de los años noventa del siglo xx son los m ism os m étodos aceptados en los años noventa del siglo xix. Si buscam os cam bios realm ente radicales du ran te los tres últim os cuartos de siglo, no deberíam os fijarnos en los m étodos, sino m ás bien en el p ropio tejido del m undo, la ontología de la física: o deberíam os m irar hacia las dim ensiones social, económ ica y política. En térm inos de m ano de obra, organización, dinero, instrum entos y valor p o lítico (y m ilitar), la física experim entó u n salto m arcado en los años siguientes a 1945. Los cam bios sociopolíticos hicieron de la física de 1960 una ciencia m uy diferente de la que había sido un siglo antes, pero no causaron el correspondiente salto en los estándares m etodológicos y cognitivos. En cualquier caso, éste no es el lugar para debatir a n ingún nivel estos tem as más am plios. En el libro que sigue he descrito, más que analizado, partes im portan tes del progreso de la física entre 1895 y 1995. Los lectores que estén interesados en contem plar una foto global, o evaluar los cam bios revolucionarios y hacer com paraciones a lo largo del curso de un siglo, deberían estar m ejor equipados con el m aterial y la inform ación que se presentan aquí.

Me gustaría expresar m i agradecim iento a m i colega Ole K nudsen, que leyó el m anuscrito y sugirió varias m ejoras.

Helge Kragh Aarhus, Dinamarca

Primera parte:de la consolidación a la revolución

C APÍTU LO 1

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo

El filósofo y m atem ático Alfred N orth W hitehead se refirió una vez al ú ltim o cuarto del siglo xix com o «una era de ortodoxia científica exitosa, no m olestada po r n ingún pensam iento más allá de las convenciones [...] uno de los m om entos del pensam iento más abu rrid o s desde los tiem pos de la P rim era Cruzada» (W hitehead 1925, p. 148). Todavía es corriente creer que la física de fin de siglo fue u n asunto algo aburrido , que se constru ía firm e y com placientem ente sobre la cosm ovisión determ inista y m ecánica de N ew ton y sus seguidores. Nos cuentan que los físicos no estaban en absoluto p re parados para las conm ociones que ocurrieron en dos etapas: prim ero, el inesperado descubrim iento de los rayos X, el electrón y la radiactividad; y después la verdadera revolución, que consistió en el descubrim iento por parte de Planck del cuanto de acción en 1900 y la teoría de la relatividad de Einstein en 1905. De acuerdo con este aceptado pun to de vista, no sólo la m ecánica new toniana gobernó soberana hasta que fúe hecha añicos p o r las nuevas teorías, sino que la generación victoriana de físicos creía ingenuam ente que todas las cosas que merecía la pena saber ya se sabían o se sabrían p ron to siguiendo el cam ino de la física existente. Albert 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 han sido esencialm ente establecidos y que los futuros avances se deben buscar sobre todo en la aplicación rigurosa de estos principios a todos los fenóm enos que nos interesen» (Basash 1972, p. 52). C uán irónico, pues, que los nuevos rayos del profesor Róntgen -e l prim ero de varios descubrim ientos que se resistían a una explicación basada en los «grandes principios fundam entales»- se anunciaran tan sólo u n año después. Y cuánto m ás im portan te parece la nueva física de principios del siglo xx si se com para con pun tos de vista com o los de M ichelson.

El p u n to de vista aceptado es en parte u n m ito pero, com o la m ayoría de los m itos, está basado en hechos. Por ejem plo, M ichelson no era el único físico de la década que expresó la sensación de que la física estaba esencialm ente com pleta y que lo que quedaba era, o bien física aplicada, más en concreto m edidas, o descubrim ientos relativa

4 Generaciones cuánticas

m ente menore$. C uando Max Planck ingresó en la U niversidad de M únich en 1875, un profesor de física le advirtió que la especialidad que había elegido estaba más o m enos term inada y que no cabía e sp e ra r que se descubriera nada nuevo. Sin em bargo, a pesar de que esta sensación ciertam ente existía entre los físicos, es cuestionable cóm o de extendida estaba. M uy pocos físicos teóricos de los 1890 parecen haber aceptado el pun- to de vista de M ichelson, y tras los increíbles descubrim ientos de R óntgen, H enri Bec- qu ere l,ر. j. T hom son y los Curie, incluso el físico experim ental más conservador se vio obligado a darse cuenta de su falacia.

¿Qué decir de la afirm ación de que la física de hace cien años descansaba en la © ٢-

todoxia y la aceptación com placiente de ظ m ecánica newtoníana? ¿Existía una cosm o- visión m ecanicista, o siquiera alguna cosm ovisión com únm ente aceptada? M ientras que la cuestión de la com pletitud puede ser discutida, es absolutam ente falso que los físicos se aferraran obstinadam ente a la cosm ovisión m ecanicista hasta que Eínstein les enseñara una lección en 1905 (o Planck en 1900). La tendencia no m ecanicista m ás ím - portan te se basaba en la teoría electrom agnética, pero no sólo era esto u n a de las se- ñales del deseo general de confron tar la cosm ovisión m ecanicista y buscar nuevos fundam entos que o bien se opusieran a ella o bien frieran m odificaciones radicales de ella. De acuerdo con el m odelo del m undo de la m ecánica clásica - la versión laplaciana del new tonism o (que no debe confundirse con las propias ideas de N ew to n )- el m undo consistía en átom os, que eran los lugares donde se daban diversas fuerzas de largo y corto alcance y en donde actuaban éstas. La fuerza gravitatoria era el ejem plo paradig- m ático de tales fuerzas, actuando a cierta distancia sobre el espacio vacío. C on la llegada de la teoría de cam pos, la m ecánica de ط propagación de fuerzas cam bió, pero M axwell y la m ayoría de los o tros físicos de la teoría de cam pos con tinuaron buscando una base m ecánica para sus m odelos. El desplazam iento conceptual más im portan te fue quizá el surgim iento -d e hecho ط, necesidad- de un éter universal com o el casi h ipo- tético m edio continuo que inunda todo a través del cual las fuerzas se propagan a velocidad finita.

En 1902, en la parte 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 pensam iento aparentem ente lejanas se encuentren en [...ل terreno com ún». ¥ con- tinuó, «entonces la naturaleza de los átom os y las fuerzas involucradas en su unión ٩٧؛ - mica; las interacciones entre estos átom os [...ا com o se m anifiestan en el fenóm eno de la luz y la electricidad; la estructu ra de las m oléculas y los sistemas de m oléculas de los cuales los átom os son las unidades; ط explicación de la cohesión, elasticidad y gravedad: todo esto será clasificado den tro de u n solo cuerpo com pacto y consistente de conocim iento científico» (M ichelson 1902, p. 163). Y éste era el m ism o M ichelson que, ocho años atrás, había sugerido que la física estaba cercana a su fin. ¿Fueron los descubrim ientos del electrón y la radiactividad los que causaron su cam bio de actitud? ¿O fue quizá el descubrim iento de Planck de la ley de la radiación, basada en la noción de la cuantización de la energía? N ada de eso; estos recientes descubrim ientos no se m encionaban en el libro. El entusiasm o de M ichelson tenía su raíz en «una de las más gran-


can, todos los fenóm enos físicos serán u n a ram a de la m atem ática p u ra (Inform e del

B A A S 1895, p. 595).

Com o veremos, parecidos puntos de vista siguieron desem peñando un papel im portante a lo largo del siglo xx. A pesar de que m uchos de los contem poráneos de Hicks habrían suscrito su filosofía, en 1895 la m ayoría de los físicos había abandonado la teoría de vórtices de los átom os. Décadas de trabajo teórico no habían llevado a u n progreso real y el gran program a de los vórtices estaba degenerando en m atem áticas estériles.

Algo m uy parecido se puede decir de o tra teoría atóm ica hidrodinám ica, la teoría del «chorro de éter», desarrollada por el m atem ático Karl Pearson en los años 1880- 1890. De acuerdo con esta teoría, el átom o definitivo era un pu n to en el éter a partir del cual el nuevo éter fluía de m anera continua en todas las direcciones del espacio. C om o los teóricos de vórtices, Pearson aplicaba su teoría a una serie de problem as, y creía que sería capaz de explicar - e n p rin c ip io - la gravitación, el electrom agnetism o y los fenóm enos quím icos. A pesar de que la teoría de Pearson no suscitó el m ism o in terés que la teoría de vórtices, m erece la pena m encionarla porque incluía, no sólo las fuentes, sino tam bién los sum ideros del éter; esto es, una especie de materia negativa. G ravitatoriam ente, la m ateria «negativa», que repele la m ateria o rd inaria pero atrae o tra m ateria negativa, había sido debatida previam ente en los años 1880 por Hicks, en m arcada en la teoría atóm ica de vórtices, y el extraño concepto reapareció en la teoría de Pearson, así com o en otros debates de la física finisecular. Por ejem plo, el físico b r itánico A rthur Schuster especuló de m anera algo ligera que podrían existir sistemas estelares enteros de antim ateria, indistinguibles del nuestro a excepción de que dos sistemas estelares se repelerían entre sí en lugar de atraerse. N o sólo in trodu jo los nom bres «antim ateria» y «antiátom os» en 1898, sino que tam bién sugirió que la m ateria y la an 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 , antic ipando p o r tan to u n im p o rtan te concepto de la física cuántica posterior.

En la versión de antim ateria de Pearson, el éter entraba po r un chorro y desaparecía de nuestro m undo po r un sum idero. ¿De dónde venía el éter en prim er lugar? Según Pearson escribió en 1892, no aparecería sim plem ente de la nada, sino que probablem ente vendría de una cuarta d im ensión a la que volvería de nuevo. Aquí tenem os o tro concepto que norm alm ente se observa com o u n invento de la teoría de la relatividad del siglo xx, apareciendo de m anera inesperada en la física de la cosm ovisión antigua. En realidad, las ideas de hiperespacios y su posible significado en la física no eran nuevas en los años 1890. En 1870, el m atem ático británico W illiam Kingdon Clifford utilizó el concepto debido a Riem ann de geom etría curva no euclídea para sugerir que el m ovim iento de la m ateria y el éter era en realidad la m anifestación de una variación de la curvatura del espacio. Esta idea general de una «geom etrización de la física» era bien conocida a finales del siglo xix e inspiró a varios físicos, astrónom os y m atem áticos, por no m encionar a escritores de ciencia-ficción com o H. G. Wells. Por ejemplo, en 1888, el em inente astrónom o estadounidense Sim ón Newcomb propuso un m odelo del éter basado en el espacio hiperdim ensional, y en 1900 el alem án Karl Schwartzschild utilizó ex-


sicos, incluyendo a Pierre D uhem en Francia, argum entaban que la creencia en átom os y m oléculas era m etafísica y que todos los fenóm enos em píricos se podían explicar sin la hipótesis atóm ica.

El p rogram a de la energética se consideró u n reto al p u n to de vista tradicional m e- cánico-m olecular lo bastante grande com o para que se adop tara com o tem a de discusión en el encuentro anual de la Asociación A lem ana de Científicos N aturales y Físicos en Lübeck, 1895. El encuentro contó con una fam osa discusión entre B oltzm ann, que atacó a los energeticistas, y H elm y Ostwald, que argum entaron con tra la visión m ecanicista del m undo. Es interesante n o ta r que ni B oltzm ann ni los otros presentes en el encuentro sim plem ente defendieran la cosm ovisión m ecánico-clásica o suscribieran de lleno el pun to de vista que H elm y O stwald criticaban. B oltzm ann declaró que la cosm ovisión m ecanicista estaba en vía m uerta y que la «visión de que n inguna o tra explicación puede existir excepto la del m ovim iento de los pun tos m ateriales, las leyes de los cuales vienen determ inadas p o r fuerzas centrales, ha sido generalm ente abandonada m ucho antes de los com entarios del señor Ostwald» (Jungnickel y M cC orm m ach 1986, p. 222). En cualquier caso, B oltzm ann no veía n ingún m érito en el p rogram a de los energeticistas y prefirió trabajar sobre una base m ecánica, sin tiendo que por sí sola estaba lo suficientem ente desarrollada com o para asegurar el progreso científico.

La alternativa energética recibió un apoyo sólo m odesto entre físicos y quím icos, pero la crítica de la teoría atóm ica y el énfasis en lo fundam ental del concepto de energía se repitieron tam bién por parte de m uchos científicos no d irectam ente asociados con el p rogram a de la energética. El principal físico francés, Pierre C urie (quizá más conocido com o el m arido de M arie Curie) podría ser un ejem plo. De acuerdo con su pu n to de vista positivista de la ciencia, Curie se apartaba de las hipótesis m aterialistas y atóm icas y favorecía un fenom enalism o inspirado en las leyes de la term odinám ica. Él y algunos otros físicos franceses m anten ían que la term odinám ica era el ideal de teo ría física. Sostenían que la energía, no la m ateria, era la esencia de una realidad que sólo podría ser entendida com o procesos o acciones. Desde el principio de la década de 1880 en adelante, el físico-filósofo austríaco Ernst M ach defendía u n a in terpretación fenom enológica de la física, de acuerdo a la cual las teorías y conceptos físicos eran m aneras económ icas de organizar datos sensoriales. M ach adm itía la u tilidad de la m ecánica m olecular, pero no la consideraba una teoría fundam ental ni que expresara la realidad física. Desde un pun to de vista fundam ental, él prefería los princip ios energeticistas a las leyes de la mecánica. De nuevo de acuerdo con O stw ald y sus aliados, M ach m anten ía que los átom os no eran sino ficciones convenientes. Además M ach criticaba el corazón m ism o de la m ecánica, la idea de fuerza expresada m ediante la segunda ley de Newton. H einrich H ertz em prendió una crítica fundam ental de la m ecánica en cierto m odo similar, desde un pun to de vista positivista, y apoyándose sólo en las concepciones fundam entales de espacio, tiem po y masa. Sin em bargo este tipo de análisis crítico de la m ecánica no involucraba necesariam ente un deseo de abandonar la cosm ovisión mecánica. Sí era así en el caso de M ach, pero para H ertz las nuevas versiones de la m ecánica sim plem ente afirm aban esta cosm ovisión. De hecho, una de las

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo 9

principales m etas de la m ec؛؛nica libre de fuerza$ de H ertz era establecer una teoría me- cánica del éter electrom agnético.

ما cosmovisión m ecánica se consideraba estancada en la década de 1890, y hasta los tradicionalistas tenían que adm itir que no disfrutaba de un éxito universal. Aparte de la tu rbulenta relación entre la mecánica y la ley de ط entropía, había un problem a más antiguo relacionado con ط teoría cinética de los gases. Tan p ronto 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 ظ teoría mecánica. f)e acuerdo con esta teoría, y = cp/cv= 1 + 2/», donde n es el núm ero de grados de libertad de la molécula. £1 problem a era que el resultado que se predecía para gases diatóm icos se ajustaba a los experim entos (que proporcionaban y زه,ل = sólo si se asum ía que la m olécula era rígida y no tenía partes internas; esta suposición parecía inconsistente con los resultados de la es- pectroscopía que indicaban claram ente vibraciones internas que intercam biaban energía con el éter. £1 problem a se trataba com o una anom alía pero po r supuesto hacía falta más que una simple anom alía para conm ocionar el pun to de vista mecánico. Y sin em bargo el fallo aparente del teorem a de equipartición se consideraba lo bastante serio com o para figurar com o uno de los dos nubarrones de la famosa conferencia Nineteenth Century Clouds Over the Dynamical Theory o fH ea 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 ظ Instltu- ción Real (Poyal Institution) en abril de 1900. La o tra am enaza era el fracaso de la expli- cación del m ovim iento de la tierra a través del éter según se m ostraba en el experim en- to del flujo del éter de M ichelson y Edward Morley. (Sobre esto referimos al capítulo 7.)

La nueva física que surgió duran te los prim eros años del siglo XX no fue una revo- lución contra una cosm ovisión new toniana petrificada, algo análoga a la revolución de Galileo contra el aristotelísm o. Ya en 1905, la cosm ovisión m ecanícista había sufrido ataques du ran te más de una década, y solam ente p o r esta razón nunca hubo dem asiado conflicto entre £ instein y Newton. Incluso más im portan te que la oposición inspirada por la term odinám ica y la energética fue la nueva y vigorosa tendencia de la teo- ría electrom agnética que caracterizó la década de 1890. Tratarem os con más detalle esta denom inada cosm ovisión dectrom agnética en el capítulo 8, y aquí sólo enfatiza- m os su im portancia y sus elem entos clave. £1 problem a básico de la física a finales del siglo XIX fue quizá la relación entre éter y m ateria: ¿era el éter el sustrato fundam ental a p artir del cual se construye la m ateria? o , po r el contrario , ¿era la m ateria una cate- goría ontológica más fundam ental de la cual el éter era sim plem ente un caso partícu- lar? £1 p rim er pun to de vista, en el que se daba la prim acía a las estructuras en el éter, se file volviendo más com ún en el cam bio de siglo, cuando los m odelos m ecánicos del éter fueron reem plazados por m odelos electrodinám icos.

Si el electrom agnetism o era m ás fundam ental que la m ecánica, tenía sentido ínten- tar derivar las leyes m ecánicas de las del electrom agnetism o, y esto era precisam ente lo que in ten taban m uchos físicos teóricos. £1 electrom agnetism o se consideraba u n principio unificador de toda la ciencia, no m uy d istin to del papel que se le asignaba a la


energía en la energética de Ostwald. La m anera en la que O stwald y sus aliados energeticistas hablaban de la «m ateria subordinada a la energía» y de que «todos los sucesos [eran] al final nada m ás que un cam bio en la energía» era sorprendentem ente sim ilar a la retórica de los electrodinám icos sólo que con el «éter» o «campo electrom agnético» sustituyendo a la «energía». En am bos casos, el m aterialism o se descartaba y la m ateria se declaraba un epifenóm eno. Joseph Larm or, el em inente teórico británico, no tenía dificultades en im aginar un m undo basado en u n éter inm aterial y trascendente. A dm itía, com o escribió en 1900, que esto podría parecer «dejar la realidad atrás» pero defendía su cosm ovisión etérea argum entando que describía una realidad in terna que no era d irectam ente accesible a los sentidos (Larm or 1900, p. vi). Éste era u n argum ento que M ach, Ostw ald y o tros fenom enalistas no habrían aceptado. Al principio del nuevo siglo, la imagen del m undo m onista y electromagnética fue aceptada por una proporción creciente de físicos de vanguardia en Alemania, Inglaterra, Francia y los Estados Unidos. La física consistía en la física de la m ateria y la física del éter electrom agnético y la tendencia a evitar este dualism o no deseado era identificar m ateria con éter m ás que al revés. Esto no quiere decir que no hubiera voces disidentes o que la d oc trina electrom agnética perm eara todo el cam po de la física. H abía físicos que -a ñ o s an tes que E inste in - rechazaban el éter com o un concepto metafísico y algunos con tinuaban buscando m odelos m ecánicos del éter o incluso consideraban el éter u n estado especial de la m ateria ordinaria. Los libros de texto de este periodo po r lo general se fundam entaban en una base m ecánica y no reflejaban el cam bio de la cosm ovisión que se discutía en la física teórica puntera . Así es com o son p o r lo general los libros de texto: p o r naturaleza conservadores y cautos en su actitud frente a las ideas m odernas.

La tendencia en la física teórica alrededor de 1900 era más un desplazam iento en ideas fundam entales desde la m ecánica a la term odinám ica y la electrodinám ica, y era más que el resultado de una serie de descubrim ientos espectaculares. Era parte de un cam bio en la cosm ovisión que tenía ramificaciones fuera de la física y que fue alim entado en parte po r el Zeitgeist particular del periodo, un espíritu del tiem po a veces caracterizado com o neorrom ántico. El historiador Russell M cC orm m ach resum ió con acierto la situación com o sigue: «Toda la configuración cultural duran te el cam bio de siglo estuvo im plicada en el cam bio del pensam iento 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 portan te de esta configuración cultural fue u n an tim aterialism o generalizado. Tom ando distintas form as en las distintas naciones científicas, la doctrina antim aterialista consistía en creer que «la m ateria está m uerta». Si la m ateria no era la realidad últim a sino tan sólo la m anifestación de un éter inm aterial no parecía irracional d isputar otras doctrinas establecidas que se derivaban de la física de la m ateria, incluyendo la perm anencia de los elem entos quím icos y las leyes de la conservación de la m ateria y la energía. En efecto, en algunas esferas, las m ism as cualidades de perm anencia y conservación se consideraban sospechosas dentro de una im agen del m undo que enfatizaba la transform ación, la evolución, y el devenir.

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo اا

C om o ejem plo, considerem os ؛ة psicólogo y físico aficionado francés Gustave Le- Bon, quien en 1896 anunció el descubrim iento de lo que él m ism o denom inó «luz negra», u n nuevo tipo de radiación invisible que él creía diferente de, pero quizá relacionada con, los rayos X y catódicos. A unque a la alegación del descubrim iento de LeBon no le fue b ien, sus ideas generales de la m ateria, la radiación y el éter se recibieron favorablem ente por parte del público y fueron hasta cierto pun to representativas del Zeitgeist del periodo en círculos científicos. En su libro La Evolución de la Materia, un éxito del cual se im prim ieron doce ediciones y se vendieron 44.000 ejemplares, LeBon concluía que toda la m ateria es inestable y que constantem ente em itía radiación o «efluvios». Se sostenía que las cualidades m ateriales eran epifenóm enos que la m ateria exhibía en el proceso de transform arse en el éter im ponderable a p a rtir del cual fuera originada. Según LeBon, no existía dualidad entre energía y m ateria, que ' representaban distintas etapas en un proceso evolutivo, el resultado final del cual era el estado puro etéreo. Entre sus m uchos argum entos a favor de la degradación continua de la m ateria en éter, LeBon consideraba que la radiactividad era particu larm ente convincente. C om partía el pun to de vista de m uchos físicos de que ط radiactividad es una propiedad que presenta toda la m ateria. Entonces, si todos los elem entos quím icos em itían radiaciones etéreas, ¿no se acabarían deshaciendo y no probaría esto lo inm a- terial de la materia? ه com o LeBon expresó bastante m ás drásticam ente, ¿no repre- sentaría el éter «el n irvana final hacia el cual todas las cosas re to rnan después de una existencia m ás o m enos efímera?» (LeBon 1905, p. 315). LeBon y m uchos de sus contem poráneos creían que, de hecho, éste era el caso.

Las especulaciones cuasicientíficas de LeBon tenían u n atractivo considerable para los m uchos científicos que no estaban satisfechos con los ideales positivistas y ansiaban una ciencia no dogm ática y m ás juvenil que satisficiera lo que ellos asociaban con el espíritu hum ano. Sus ideas tocaron u n pun to sensible en un periodo que ha sido descrito com o «una revolución contra el positivism o» e incluso -p e ro con m enos jus- tificación- «una revolución contra la razón» (M acLeod 1982, p. 3). Entre los sim patizantes de los argum entos de LeBon estaba el gran H em i Poincaré. ?ero LeBon no era un físico teórico y sus pun tos de vista, aunque de m oda, no eran particu larm ente m o- dernos. Si los físicos de fuera de Francia no le tom aban dem asiado en serio, pudo haber sido porque no incorporó al éter electrom agnético en sus especulaciones. A unque es razonable hablar de un espíritu general de la física alrededor del final de siglo, el grado de consenso no debería exagerarse. Había diferencias considerables entre los puntos de vista de los físicos principales y tam bién existían im portan tes diferencias naciona- fes. En Alem ania y Francia, p o r ejem plo, la reacción contra la cosm ovisión mecanicis- ta se asociaba con las virtudes positivistas e ideales term odínám ícos m ás a m enudo que en Inglaterra. Los físicos británicos po r lo general no m ostraban sim patía po r el pun- to de vista de la ciencia positivista y orientado a los hechos que defendían Pierre Curie, D uhem , Ostwald, M ach y otros. En 1896, en u n com entario crítico a la energética de Ostwald, el físico irlandés George FitzGerald distinguía entre el estilo británico m eta- físicam ente receptivo y el estilo alem án inductivo y poco filosófico. «Un británico quie


re em oción», escribió, «algo que suscite entusiasm o, algo con interés hum ano» (W yn- ne 1979, p. 171). El grito de guerra pid iendo em ociones, acciones y procesos evolutivos «con interés hum ano» se repetiría en los neorrom ánticos franceses que contrastaban su estilo con el de los alem anes, supuestam ente poco im aginativos. Al m ism o tiem po, se opon ían al estilo británico de física, que encontraban dem asiado m ecanicista y con falta de esprit.

C AP ÍTU LO 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? Exami- nem os prim ero el núm ero de físicos, es decir, de la gente que contribuía al avance de la fí- sica bien directamente, como los investigadores, bien indirectamente, como los profesores. No se sabe demasiado sobre el entorno social de los físicos alrededor del cambio de siglo, pero un estudio sobre los físicos alemanes m ostró que el físico joven alemán típico prove- nía de los estratos sociales más altos, las clases media y alta.اج - y siempre era «él»- era socialmente indistinguible del académico hum anista joven. Eos químicos en cambio - y en particular, los químicos orgánicos- procedían más frecuentemente de la com unidad de negocios (tabla 2.1) -diferencia probablemente reflejaba la conexión cercana entre quími محا.له e industria alemana, una conexión que todavía no era firerte en lo tocante a ظ física.

El significado del té rm ino «físico» ha cam biado, po r supuesto, con el tiem po, pero en 1900 el significado de la palabra no difería dem asiado del actual; la física había alcanzado por aquel entonces un nivel profesional que presentaba más sim ilitudes con lo que llegaría a ser en 1990 que con lo que había sido en 1810. La gran m ayoría de los físicos, es decir, aquellos que con tribu ían a la literatura de investigación física, eran profesionales en el sentido de que se ganaban la vida com o m iem bros académ icos de institu tos físicos en universidades o escuelas politécnicas (com o las Technische Hoch- schulen en Alem ania). Aficionados con talento, profesores de secundaria, e individuos adinerados todavía ten ían u n cierto papel, pero era pequeño y d ism inuía rápidam ente. Un gran núm ero de ingenieros y expertos técnicos se ocupaban de la física aplicada (industrial y m édica, po r ejem plo) y podrían ser clasificados razonablem ente com o fí- sicos tam bién. De todos m odos nos lim itarem os a aquellos que ocupaban puestos de enseñanza explícitam ente dedicados a la física, los físicos llam ados académicos. C om o sucede generalm ente con la ciencia, la física era un fenóm eno casi exclusivam ente


TABLA 2.1.C ontexto social de los científicos doctorados alem anes

Campo A noN .° de

doctorados

Clases profesionales

medias y altas (% )

C om unidad de negocios (% )

Agricultura(% )

Física 1899 56 52 36 9

1913 68 53 40 7

M atem áticas 1899 19 53 39 16

y astronom ía 1913 8 50 50 0

Q uím ica 1899 99 25 66 8

orgánica 1913 99 33 57 10

Q uím ica 1899 77 29 61 10

inorgánica 1913 42 40 45 14

H um anidades 1899 64 50 44 6

1913 441 50 38 4

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

TABLA 2.2.F ís ico s a c a d é m ic o s a lr e d e d o r d e 1900

M iembros facultativos y asistentes

N ° de físicos, por millón

Gastos (en miles de marcos),

por físico

Productividad total (anual), por físico

A ustria-H ungría 64 1,5 560 8,8

Bélgica 15 2,3 150 10

Reino 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

Italia 63 1,8 520 8,3 90 1,4

Japón 8 0,2

Países Bajos 21 4,1 205 9,8 55 76

Rusia 35 0,3 300 8,5

Escandinavia 29 2,3 245 8,5

Suiza ?7 8,1 220 8-7.

Estados U nidos 215 2,8 2.990 14,0 240 1,1

Nota: El equivalente de 1.000 marcos en 1900 era de aproximadamente 240 dólares. Datos resumidos de Forman, Heilbron y Weart 1975.

El mundo de la física 15

europeo-estadounidense, a pesar del auge de Japón y del trabajo que se llevaba a cabo en las colonias inglesas, alem anas, holandesas y otras (m ayoritariam ente por blancos).

Q ueda claro a partir de la tabla 2.2 que, en prim er lugar, la física en 1900 era un p a ñuelo. El núm ero total de físicos académicos en el m undo estaba probablem ente entre 1.200 y 1.500. (En com paración, en 1900, el núm ero de m iem bros en las sociedades nacionales quím icas de Inglaterra, Alemania y Francia, superaba los 3.500.) Además este pañuelo estaba dom inado po r unos pocos países, de los cuales G ran Bretaña, Francia, Alemania y los Estados Unidos eran con m ucho los más im portantes; su núm ero total de unos 600 físicos representaba casi la m itad de la población m undial de físicos. En segundo lugar en la jerarquía estaban países com o Italia, Rusia y el Im perio austrohúnga- ro; y después, en u n tercer grupo, naciones más pequeñas com o Bélgica, H olanda, Suiza y los países escandinavos. Hay que destacar que en 1900 los Estados U nidos ya contaban con m ás físicos que cualquier otro país, y que la densidad de físicos entre los «cuatro grandes» era la m ism a (sobre 2,9 por m illón de habitantes) y considerablem ente m enos que en Suiza y Países Bajos. A unque Estados U nidos lideraba cuantitativam ente la física, estaba m uy po r detrás de las tres potencias europeas en cuanto a p ro ductividad e investigación original. Esto se debía en parte al clima en las principales universidades am ericanas que era todavía ajeno -d e hecho a veces hostil- a los ideales alemanes de investigación y pertenencia al m undo académico com o elem entos esenciales 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 mente del estudiante, no el descubrim iento científico, no el logro profesional», u n pu n to de vista que difícilmente podía llevar a m uchos descubrim ientos científicos (Kevles 1987, p. 34).

Diez años después, en los um brales del siglo xx, H enry Rowland dio u n discurso ante la recién form ada Sociedad A m ericana de Física (Am erican Physical Society). F irm e partidario de la ciencia pura, Rowland com partía el ideal alem án de la física com o cu ltura e investigación libre. «Form am os un pequeño y único cuerpo de hom bres, una nueva variedad de la raza hum ana», dijo Rowland a su audiencia. El nuevo cuerpo era «una aristocracia no de riqueza, no de pedigrí, sino de intelecto e ideales, la cual m an tiene en la m ás alta estim a a aquel que más aum enta nuestro conocim iento o a quien lucha po r él com o el m ás alto bien». Rowland sabía m uy bien que m uchos de sus com patrio tas no com partían su pun to de vista. D eploraba que «gran parte del intelecto de este país todavía se desperdicia en la actividad de la llam ada ciencia práctica, la cual atiende a nuestras necesidades físicas, [m ientras que] tan sólo poca atención y poco d inero se destina a la m ayor parte del asunto, que atrae tan sólo a nuestro intelecto» (Rowland, 1902, p. 668). En tiem pos del discurso de Rowland, las cosas estaban cam biando rápidam ente y la física estadounidense estaba en cam ino de convertirse en un factor principal den tro de la física m undial. En 1893 apareció el p rim er núm ero de Physical Review, en 1899 se fúndó la Sociedad A m ericana de Física y dos años después el Congreso autorizó 250.000 dólares para constru ir la National Bureau o f Standards. En este m ism o año, A ndrew Carnegie proporcionó la enorm e sum a de 10 m illones de dólares para fúndar una institución que estim ulara la investigación básica. El resulta-


Producción anual de doctorados en física estadounidenses

Gráfico 2.1. El auge de la física en los Estados Unidos, como muestra el número de físicos estadounidenses que obtuvieron el doctorado en física entre 900ا y 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 Carnegie Institu tion , tuvo un efecto estim ulante en la investigación en las universidades estadounidenses.

El núm ero de m iem bros de la Sociedad Americana de Física indica el crecim iento de la profesión de físico en los Estados U nidos.D e m enos de un centenar de m iem bros en 1899, diez años después el núm ero se había increm entado a 495. En 1914 superó los 700, y du ran te la siguiente década ظ tasa de crecim iento fue incluso m ás elevada (véa- se figura 2.1). Sobre 1910, la física estadounidense estaba abandonando la som bra de Europa, a pesar de que el país todavía era débil en física teórica y de que la mayoría de las contribuciones que aparecían en Physical Review no alcanzaban la calidad de revistas Annalen der Physik o Philosophical Magazine. A pesar de físicos em inentes com o Robert W ood, A lbert M icheison, Robert M iilikan y G ilbert Lewis, la física estadounidense era todavía relativam ente provinciana y dependiente de lo que sucedía en Euro- pa. Lndwig Boltzm ann visitó la U niversidad de California, Berkeley, en 1905. Encontró la naturaleza bella y las m ujeres robustas, pero se quedó m enos im presionado del ni-


TABLA 2.3D istribución de cam pos de estudio de artículos invitados en la

Conferencia de París de 1900

Campos de estudio N úm ero Porcentaje

Electricidad y m agnetism o 22 24

Física m ecánica y m olecular 19 20

C uestiones generales; m edidas y unidades 15 16

Ó ptica y term odinám ica 14 15

Física cósm ica 9 10

M agneto-óptica, rayos catódicos, rayos de u ran io 8 9

Física biológica 5 6

del siglo xx (véase tabla 2.4). Entre 1890 y 1914 se construyeron 22 nuevos laboratorios de física en A lem ania, 19 en el Im perio británico, 13 en los Estados U nidos y 12 en Francia. A unque fue Alem ania la que erigió más instituciones, las inversiones b ritán icas y estadounidenses fueron sustancialm ente mayores. M ientras que Alem ania invirtió u n total de 10.300 m arcos po r físico y año, las inversiones estadounidenses fueron el equivalente a 14.000 m arcos y las británicas, a 15.500. Por supuesto esto son p rom edios, y existían grandes variaciones de físico a físico y de institu to a institu to , con los experim entales m ucho más caros de m antener que los teóricos. Por ejem plo, m ientras

TABLA 2.4.Institu tos de física y facultades

№ de institutos Facultades, 1900 Facultades, 1910

A ustria-H ungría 18 48 59

Bélgica 4 9 10

Reino U nido 25 87 106

Im perio britán ico , otros 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

Escandinavia 7 18 26

Suiza 8 17 23

Estados U nidos 21 100 169

Nota: Basado en datos de Forman, Heilbron y Weart 1975.


que el instituto de física de ١٤١ U niversidad de Berlín recibía 26.164 m arcos en 1909, el ^ q u e ñ o institu to de Planck para física teórica tenía que apañárselas con un presupuesto de 700 m arcos.

El auge en las instalaciones físicas estaba m uy relacionado con el m arcado cam bio reacia la investigación com o la principal función de la educación superior, que tenía sus raíces en A lem ania y fue com pletam ente aceptada en la m ayoría de o tros países sólo .-،acia 1900. Por aquel entonces, el estudiante de investigación se convirtió en una figura central en cualquier institución física con ' y con la llegada de estu-d ^ t e s de investigación surgió la necesidad de m ás espacio de laboratorio . Los datos de la U niversidad de Leipzig son reveladores: cuando el institu to de física se construyó en 1835, el 12 p o r 100 del área se planeó para el uso de laboratorio ; en 1873 el institu- :o se expandió p o r un factor de 4, y el espacio de laboratorio se increm entó al 46 por 100; o tra expansión, en 1904, y p o r u n factor de 3, resultó en un 60 p o r 100 para laboratorios y despachos para estudiantes de doctorado. Así pues, duran te u n periodo de “0 años, el espacio para la investigación se había increm entado unas 60 veces. El tra- rajo de investigación com o parte de los estudios de doctorado se rem onta 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 entre 1870 y 1890. Pero no era una m edida evidente po r sí m ism a, incluso en las principales ' alem anas. El insti-tuto de física de ط Universidad de Tubinga se erigió al final de la década de 1880, y por aquel entonces «no se esperaba que los estudiantes del institu to llevaran a cabo inves- figaciones científicas independientes», com o fried rich Paschen relataba en 1906, aña- diendo que «a este respecto, la situación se ha alterado esencialm ente en los últim os 10 años» (Form an, H eilbron y W eart 1975, p. 103).

Hasta aproxim adam ente 1890, en los Estados U nidos y m uchos o tros países ni siquiera se esperaba que los profesores llevaran a cabo investigaciones científicas independientes. El laboratorio físico Jefferson de la Universidad de H arvard se com pletó en 1884. Albergaba laboratorios y una gran aula, y su objetivo era tan to la enseñanza com o la investigación. John Trowbridge, el director del laboratorio de 1888 a 1910, te- nía bien presente que iba siendo ho ra de seguir la trad ición alem ana en la física. En 1884 advirtió contra «el sistem a de clases o recitaciones no apoyado p o r trabajo de laboratorio» todavía tan corriente, e inició cursos basados en el laboratorio para los cuales el nuevo laboratorio venía perfecto. Doce años después, Trowbridge podía m irar atrás sobre un periodo de cam bios tan to en la docencia com o en la investigación: «Hoy en día se espera una cierta cantidad de trabajo original de [el profesor de física en H arvard]. D urante los últim os diez años se ha hecho más investigación original en la Uni- versidad de H arvard que en los 200 años previos» (Aronovitch 1989, pp. 95 y 99).

Publicaciones de ؛؛sica

¿Qué se obtuvo entonces de las inversiones en física? Los físicos, com o otros cientí- fíeos, p roducen artículos; el núm ero de artículos de investigación es la m edida más d i


recta de la productiv idad científica. Hasta 1900 las publicaciones periódicas de física existían m ás o m enos en el m ism o form ato que hoy, pero p o r supuesto en m enor n ú m ero y m ucho m enos especializadas. A unque la m ayor y más sustancial parte de la in vestigación física se publicaba en revistas especiales de física, tam bién hubo m uchos artículos que aparecían en revistas o anuarios que adem ás cubrían o tras disciplinas. Por ejem plo, Comptes Rendus, publicada po r la Academ ia de Ciencias en París, los Góttin- gen Nachrichten publicada por la Sociedad Científica de G otinga y los Proceedings o f the American Association fo r the Advancem ent o f Science. M uchos países contaban con revistas locales dedicadas a la física, generalm ente escritas en el lenguaje local y a m en u do publicadas p o r la sociedad de física local, pero raras veces aparecían artículos de in vestigación con significación internacional en revistas de países m ás pequeños. Estos artículos generalm ente se incluían en las principales revistas de física de las grandes n a ciones occidentales que eran Philosophical M agazine (Inglaterra), Journal de Physique (Francia), Annalen der Physik (A lem ania), Nuovo Cimento (Italia) y Physical Review (Estados U nidos). La tabla 2.5 p roporciona el núm ero de artículos de física en 1900 y m uestra que A lem ania iba claram ente p o r delante de los otros países tan to en p roducción de artículos com o en productiv idad por físico.

La fuerte posición de Alem ania en física, tan to cuantitativa com o cualitativam ente, era incuestionable. En lo tocante a la calidad, o lo que los historiadores venideros de la ciencia han juzgado com o im portan tes contribuciones a la física, el fidedigno Dictio- nary o f Scientific Bibliography lista 197 físicos que tenían más de 20 años en 1900. De ellos, 52 eran alem anes y 6 austríacos. Las nacionalidades de los o tros físicos en cabeza que se incluyen en el Dictionary son: G ran Bretaña con 35, Francia con 34, Estados U nidos con 27, Rusia con 9, H olanda e Italia am bos con 7 y Suecia con 5. Ésta es básicam ente la m ism a lista que aparece en o tras evaluaciones. En su m ayor parte, la investigación física de alta calidad se concentraba en las cuatro potencias económ icas y p o líticas del m undo. Éstas contaban con el 75 por 100 de los físicos im portantes históricam ente del periodo. Si A ustria-H ungría, H olanda y Escandinavia se incluyen

TABLA 2.5 Revistas de física en 1900

País Principal revista de física Artículos, 1900 Porcentaje Productividad

G ran Bretaña Philosophical M agazine 420 19 2,2

Francia Journal de Physique 360 18 2,5

Alem ania Annalen der Physik 580 29 3,2

Italia Nuovo C imento 120 6 1,4

Estados U nidos Physical Review 240 12 1,1

Todos los dem ás - 280 14 -

Nota: La última columna muestra el número medio de artículos por físico académico.


en un g rupo germ ánico, los núm eros son 86 p o r 100 para los «cuatro grandes» y 38 po r 100 para el bloque germ ánico. Los datos de los prem ios N obel cuentan aproxim a- dam ente la m ism a historia. I)e los veinte ganadores entre Í 901 y 1914, dieciséis eran de los cuatro grandes (aunque sólo uno estadounidense), y tam bién lo eran el 77 po r 100 de los candidatos propuestos.

La revista principal de física en la prim era década del siglo XX era probablem ente Annalen der Physik, aunque en el m undo angloparlante tenía com o rival a la Philoso- phical Magazine. Annalen se rem ontaba a 1799, cuando su nom bre era Annalen der Physik und Chemie, pero cuando Paul D rude se convirtió en ed itor en 1900 se elim inó el «Chemie»; ya había suficientes revistas de quím ica y física-quím ica, y hacía tiem po que Annalen había em pezado a concentrarse en la física pura. ' >؛٤١ $ la m uerte de D rude en 1906, W ilhelm W ien se convirtió en editor, m ientras que Planck con tinuó siendo coeditor y responsable de física teórica. D ado que Annalen era una revista alem ana, naturalm ente la gran m ayoría de los autores eran alem anes, pero tam bién había m u- chas contribuciones de físicos austríacos, escandinavos y holandeses. Annalen era una revista prestigiosa para la investigación p u ra y casi todos sus artículos provenían de fí- sicos universitarios o físicos de los principales laboratorios, com o el بnische Reichsanstalt (Institu to Im perial de Física y Tecnología) de Berlín.

A pesar de lo prestigioso de Annalen, no era sin em bargo especialm ente difícil conseguir publicar en él. La revista incluía un gran núm ero de artículos aburridos e insíg- niñeantes, a m enudo disertaciones doctorales experim entales apenas abreviadas. En drástico contraste con las prácticas editoriales posteriores, en 1906 la tasa de rechazo, de acuerdo con la estim ación de Planck, era sólo del 5 al 10 po r 100 de los artículos en- viados. £1 crecim iento en física se reflejaba en la expansión gradual de Annalen, que ؛١! - crem entó sus núm eros anuales de doce en 1900 a dieciséis en 1912. Además de la revista, donde se publicaba investigación com pleta en artículos que a m enudo eran m uy largos, se publicaba com o secuela u n a revista con resúm enes, la Beiblatter zu der An- nalen der Physik. Es bien sabido que la característica de la literatura física, y de la cien-

TABLA 2.6Publicaciones sobre espectroscopia, 1890-1910

1890 1895 1900 1905 1910

A lem ania 81 105 167 144 17)

Inglaterra 52 60 62 73 69

Francia 32 41 42 74 53

Estados U nidos ٩١ 37 44 70 67

Italia 5 11 11 13 11

O tros 17 33 39 42 41

Total 218 287 365 416 412

Fuente: Kayser 1938.


tífica en general, es un crecim iento exponencial. Sin em bargo, hay m otivos para creer que esta tan discutida «ley» de crecim iento exponencial es válida sólo para la ciencia a p artir de 1920. En lo concerniente a la física, el núm ero de artículos revisados en las principales revistas de resúm enes era aproxim adam ente constante duran te el periodo 1900-1910. Las Beiblatter de 1900 revisaban 2.469 artículos en sus 1.358 páginas; diez años después, la revista incluía 2.984 artículos en sus 1.312 páginas. El núm ero de ar- tículos que aparecían en Fortschritte derPhysik fluctuaba de m anera sim ilar entre 872.ل y 2.825 duran te este periodo. No había n ingún síntom a de crecim iento sistem ático, exponencial o de o tro tipo.

D urante la p rim era década del siglo, los Annalen se fueron orien tando hacia el tipo de física teórica que Planck quería fom entar. A parecieron m uchos artículos sobre teo- ría electrónica, relatividad, teoría cuántica, term odinám ica y teorías de la gravedad. D urante dos décadas, la revista fue el em blem a de las nuevas tendencias en física teó- rica. Estas tendencias se reflejaban tam bién en el bisem anal Physikalische Zeitschrift, que se em pezó a publicar en 1899 y especializado en artículos más cortos. Sin em bargo, esta revista no llegaba a tener la calidad de los Annalen y era utilizada frecuente- m ente por autores cuyos m anuscritos habían sido declinados po r Planck y W ien. © tra nueva revista alem ana de física era el Jahrbuchfür Radioactivitat und Elektronik, fundada en 1904 y editada p o r Johannes Stark. C om o se indica en su nom bre, el Jahrbuch se especializaba en la física con origen en los grandes descubrim ientos de la década de 1890, especialm ente la radiactividad, los rayos X y la física electrónica. (Elektronik o «electrónica» significaba entonces la física del electrón y todavía no había adquirido el significado de ingeniería posterior.) El Jahrbuch de Stark estaba dedicado casi en su totalidad a tem as experim entales y no incluía teorías electrom agnéticas del electrón o si- m ilares en su definición de «electrónica».

Si es que cabe hablar de u n cam po y una técnica física que caracterizase toda la dís- ciplina, quizá un buen candidato sería la espectroscopia: ésta, tan to ظ ' com o la teórica, era en m uchos sentidos el cam po pun tero de la física, y continuó OCU-

pando u n a posición sobresaliente duran te dos décadas. Los artículos sobre espectroscopia, clasificados bajo las en tradas «espectros» y «efecto Z eem an», co m p o n ían el 3,2 p o r 00 إ de todos los artículos resum idos en Science Abstracts en 1898. En 1908 el núm ero se había increm entado hasta el 6,2 p o r 100. El espectroscopista Heínrích Kay- ser se jactaba de poseer u n a colección com pleta de artículos en su área de investiga- ción. En 1938 el físico de 85 años publicó un estudio estadístico sobre el desarrollo de la espectroscopia (tabla 2.6). Los datos no sólo m uestran una imagen del desarrollo de la espectroscopia, sino que tam bién p roporcionan una cruda indicación de la distribu- ción de la física en distintas naciones en el periodo de 1890 a 1910.

[Jna mirada japonesa a la física europea

La física prácticam ente no existía en Japón antes de 1870; incluso en el cambio de siglo, los institutos de investigación científica eran pocos y m al equipados. La física se ense


ñaba en la Universidad de Tokio, fundada en 1877, pero se daba una prioridad m uy baja a ظ inveîgación. «No había partidas en el presupuesto universitario para la investiga- ción», recordaba un físico de las condiciones en los prim eros año,؟ del nuevo siglo. «En ظ facultad de ciencias de ظ Universidad de Tokio de aquellos días, el presupuesto operativo era de sólo unos 000.ة yenes (sobre 2 .0 0 .dólares) para física y 4.000 yenes para química قEsto apenas era suficiente para cubrir los instrum entos, compuestos químicos, libros, revistas, muestras, carbón, gas y electricidad que se necesitaban para enseñar a los estudiantes, y mucho m enos para realizar investigación» (Nakayama, Swain yYagi 1974, p. 166).

H antaro Nagaoka (de quien hablarem os más en el capítulo 4) fue uno de los pió- ñeros de la física japonesa. Se licenció p o r la nueva Universidad de Tokio en 1887 y de 1893 a 1896 se em barcó en un viaje profesional p o r Europa, con tinuando sus estudios en las universidades de M únich, Berlín y Viena. En julio de 1910, siendo entonces profesor de la Universidad Im perial de Tokio (que era com o se había rebautizado a la ٧؛ ٨ - versidad de Tokio) y el principal físico de Japón, partió de nuevo hacia Europa en un viaje profesional. Asistió a congresos internacionales, visitó varios de los m ás em inentes institu tos de física, rind ió hom enaje a los héroes de la física (m uertos o vivos) y es- tableció contactos con im portan tes físicos. Eo que Nagaoka vio en su viaje y narró en sus cartas es u n a m uestra bastante representativa de lo que sucedía entre los principales físicos europeos; y p o r aquel entonces la física era todavía, en gran m edida, equiv'a- lente a la física europea. C om o investigador activo en los aspectos de la física tan to ex-

' com o teóricos (y com petente en francés, alem án e inglés), Nagaokaestaba bien cualificado para dar una narración fiable sobre el estado de la física en Eu- ropa, y quizá más objetivam ente que las narraciones de los propios europeos. En una carta de noviem bre de 1910 al físico italiano Augusto Righi, un experim ental que trabajaba en electricidad y óptica, Nagaoka m encionaba que él había ido de Bolonia (donde había estado con Righi) a Rom a, y de allí a G inebra, Zurich, M únich y Berlín. Éstas son algunas de sus im presiones:

En el labora to rio del ٣٢٠؛ . Weiss en Z urich se están llevando a cabo m uchos Ínter(*-

santes trabajos sobre m agnetism o; allí he visto un elec tro im án p ro p o rc io n a r m ás de

80.000 gauss. En M únich , Ebert está trabajando en proyectos conectados con la electri-

cidad atm osférica y se están realizando varias investigaciones in teresantes en el labora-

to rio de R 6ntgen y en el In s titu to de Física Teórica bajo la d irección de Som m erfeld. El

Technische H ochschule de M únich tiene tam bién u n institu to de física técnica, d onde se

investiga el efecto Joule-Kelvin en el escape de gases a través de válvulas porosas, y se ha

exam inado ya el calor específico del vapor bajo alta presión y tem pera tu ra , en conexión

con la significación [ sí'c ] del uso de las tu rb inas de vapor. El ún ico p u n to de diferencia

con u n labora to rio físico o rd inario parece ser el uso de m áquinas de gran potencia, y en

ظ cooperación de ingenieros m ecánicos con los físicos. (Carazza y Kragh, 1991, p. 39)

En la m ism a carta, Nagaoka lam entaba la falta de interés que los físicos europeos habían m ostrado ante su teoría atóm ica de 1904 (véase capítulo 4) y daba a entender


que este desprecio era el resultado de la posición dom inante de J. J. T hom son com o au toridad en teoría atóm ica. «El im portan te nom bre del em inente físico inglés me pareció lo suficientem ente pesado para suprim ir el trabajo de un físico oriental», se quejaba. Nagaoka era siem pre agudam ente consciente de ser u n oriental en un cam po dom inado por blancos, y luchó duram ente po r dem ostrar que la ciencia japonesa no era necesariam ente inferior a la de Occidente. En una carta de 1888 escribió, «no hay m otivo p o r el cual los blancos deban ser tan superiores en todo y [...J espero que seam os capaces de superar a esos yattya hottya [pom posos] en unos 10 ó 20 años» (Koi- zum i, 1975, p. 87). Para la nueva generación de científicos japoneses, la rivalidad científica no podía separarse del todo de la rivalidad racial.

El ocupado viajero japonés tam bién visitó a Ernest Rutherford en M anchester, a Heike Kamerlingh O nnes en Leiden, a Pieter Zeem an en A m sterdam y a Edouard Sara- sin en G inebra; y en Alemania añadió a M únich y Berlín las universidades o politécnicas de Bonn, Estrasburgo, Aquisgrán, Heidelberg, W ürzburg, Karlsruhe, Leipzig, G otinga y Breslau. Relató detalles de m uchas instituciones a Rutherford. Estaba im presionado con el laboratorio de bajas tem peraturas de Kamerlingh O nnes y especuló sobre si la desintegración radiactiva perm anecería inalterada a los pocos grados por encim a del cero absoluto que se podían obtener allí. En Am sterdam , Nagaoka «vio a Zeem an investigando el efecto que lleva su nom bre» y en Leiden escuchó a H endrik Lorentz «discutiendo el curioso resultado de [Félix] Ehrenhaft sobre la carga de los electrones», es decir, la existencia de sub-electrones; cuando visitó el instituto de física en B erlín ,«[Erich] Regener estaba repitiendo el experim ento de Ehrenhaft y anunció que el resultado era com pletam ente erróneo». Es obvio a partir de la narración de Nagaoka que él consideraba a A lem ania la nación pun tera en física. Describió el institu to radiológico de Phi- lipp Lenard en la Universidad de Heidelberg com o «quizá uno de los más activos de Alemania» y añadió que «el profesor Lenard y la mayoría de sus estudiantes están trabajando sobre fosforescencia y acción fotoeléctrica». De entre las actividades de Gotinga, destacó la investigación sismológica de W iechert y el laboratorio de W oldem ar Voigt, el cual «es justam ente celebrado por los num erosos trabajos que están conectados con la física de los cristales y la m agneto y electro-óptica. Hay más de 20 estudiantes de investigación». Describió el instituto de Lum m er en Breslau, que estaba especializado en ó p tica, com o «espléndido». Pero no todo eran alabanzas: «El institu to físico de Leipzig es quizá el mayor de Alemania; pero veo que lo m ayor no es siem pre lo mejor. Por m uy pobre que sea el laboratorio , florecerá si tiene investigadores serios y un director capaz. El tam año y el equipam iento del laboratorio en m i opinión tienen un papel secundario en las investigaciones científicas» (Badash 1967, p. 60).

El relato de Nagaoka se lim itaba a la física clásica. No m encionaba la teoría cuán tica y la teoría de la relatividad sólo de pasada: «En M únich [...] tam bién existe un institu to de física teórica bajo la dirección de Som m erfeld, quien tam bién trabaja en el principio de la relatividad». Esto no se debía a que Nagaoka fuera un conservador que no había descubierto la revolución que en teoría había acontecido en la física duran te la p rim era década del siglo. La física clásica era com pletam ente dom inante por aquel

□ mundo de la física 25

entonces, y de una m anera saludable y progresista; las nuevas teoría,؟ de los cuantos y de la relatividad se cultivaban sólo p o r una m uy pequeña m inoría de la com unidad fí- sica y eran apenas visibles en el paisaje general de la física. Si es que había una revolu- ción en cam ino, pocos eran conscientes de ello. Esta im presión se confirm a en un aná- lisis de la distribución de especialidades físicas tom adas de revistas principales de resúm enes. Así, los 2.984 artículos incluidos en el volum en de 1910 de los Beiblatter zu den Annalen der Physik (véase tabla 2.7) m uestran que casi la m itad de las publicaciones eran de óptica (16 p o r 100) y electricidad y m agnetism o (31 por 100). La catego- ría de «física cósmica» podría llevar a pensar en astrofísica o cosm ología física en el sentido m oderno, pero eso sería un anacronism o. Los tem as de astrofísica y cosm olo- gía sí que aparecían en la categoría, pero tam bién la espectroscopia astronóm ica, la geofísica, la m eteorología, la electricidad atm osférica y el geom agnetism o. En la revista de resúm enes de la Sociedad Física de Berlín, Fortschritte der Physik, la «física cós- mica» se in trodu jo en 1890, a la vez que el té rm ino «geofísica». («Astrofísica» es un tér- m ino m ás antiguo, que apareció po r prim era vez en 1873.) La física cósm ica era un in ten to interdisciplinario de llevar éstos y otros fenóm enos al dom inio de la física. Era una ram a popu lar de la física alrededor del cam bio de siglo cuando Svante A rrhenius, el quím ico físico sueco, escribió su influyente Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Diez años después, sin em bargo, la física cósm ica había sido relegada a la periferia de la física.

La com posición general de los tem as físicos p roporcionada po r los Beiblatter se confirm a con los Science Abstraéis norteam ericanos, que listaban 1.810 publicaciones de física en 1910. Las diferencias son debidas principalm ente a las distintas m aneras de clasificar los tem as, ?o r ejemplo, m ientras la m ayoría de los artículos del g rupo llama- do en los Beiblatter «constitución y estructu ra de la m ateria», tra taban de quím ica fí-

TABLA 2.7D istribución de especialidades en el volum en de 1910 de Beiblatter

Especialidad N úm ero Porcentaje

Electricidad y m agnetism o 913 31

Ó ptica 488 16

C onstitución y e struc tu ra de la m ateria 351 17

Física cósm ica 321 11

C alor 293 10

M ecánica 264 9

R adiactividad 182 6

M edidas y pesos 60 2

G eneral 59 2

Acústica 27 ١

H istórico y bibliográfico 26 1


sica, Science Abstracts definía el área más estrecham ente y añadía una lista separada de «física quím ica» (lo cual no era lo m ism o que la física quím ica m oderna, una subdisciplina posterior a 1930). C ada una de las áreas principales se dividía en u n núm ero de subentidades. La com posición de la categoría «constitución y estructura de la materia» m uestra claram ente que el contenido no era la física atóm ica y m olecular, sino lo que llam aríam os quím ica teórica. Las subdivisiones se daban com o sigue: general; masa, densidad; peso atóm ico; peso m olecular; elem entos [quím icos]; com puestos; reacciones; afinidad, equilibrios; soluciones; absorción, adsorción; coloides; soluciones sólidas, aleaciones; cristales; y fluidos cristalinos.

En n inguna de las revistas de resúm enes contaban dem asiado los artículos sobre física atóm ica, y se pueden buscar en vano entradas sobre tem as com o «estructura a tó mica», «teoría cuántica», «relatividad», o nom bres asociados. Por supuesto, aparecían artículos que tra taban de estos tem as, pero estaban ocultos bajo o tras entradas y eran pocos. Por ejem plo, los artículos sobre relatividad se incluían po r lo com ún bajo el títu lo «general» y los relacionados con los cuantos aparecían en las secciones de «calor» y «óptica». U n exam en de los títu los en las dos revistas de resúm enes lleva a la estim ación de que, en 1910, m enos de cuarenta artículos tra taban de la teoría de la relatividad y m enos de veinte de la teoría cuántica. La «nueva física» era todavía una actividad m arginal, pero no lo sería po r m ucho tiem po. La im presión de la dom inación de la física clásica experim ental se confirm a de m anera adicional m ediante un recuento de los artículos en el Nuovo Cimento italiano. Entre 1900 y 1904 la física clásica (definida com o m ecánica, óptica, acústica, term odinám ica y electrom agnetism o) y la física aplicada representaban el 33 po r 100 y el 22 por 100 de las publicaciones, respectivam ente; diez años después los porcentajes eran de 32 y 17. La m ayoría de las publicaciones eran experim entales, en concreto 86 por 100 en 1900-1904 y 77 po r 100 en 1910-1914. Los artículos sobre relatividad y teoría cuántica eran m uy escasos, m enos de 10 en el periodo de cinco años 1910-1914.

C AP ÍTU LO 3

Descargas en gases y lo que siguió

U no de los encantos de la física es que tra ta de la naturaleza y la naturaleza guarda sus secretos. Existen fenóm enos naturales, o fenóm enos reproducibles en el laboratorio (que son en todo caso naturales) de los cuales los físicos, en cierto m om ento , no tienen conocim iento. El descubrim iento de nuevos fenóm enos tiene a veces im portan te consecuencias para nuestra im agen del m undo. Los físicos de la década de 1890, que creían que el fundam ento de la física estaba fijado de una vez po r todas, asum ían im plícitam ente que todos los fenóm enos de la naturaleza im portan tes ya eran conocidos. Les esperaba una sorpresa, com o se dem ostró de m anera no toria con la serie de descubrim ientos de entre 1895 y 1900.

Leyendo el cap ítu lo 1, u n o puede haberse quedado con la im presión de que la m ayoría de los físicos de la década de 1890 estaban ocupados con p ro fundas p re guntas teóricas acerca de los fundam entos de la física. Sin em bargo, esto está lejos de ser el caso. La gran m ayoría eran experim entales investigando, p o r ejem plo, m étodos de m edidas eléctricas, fenóm enos térm icos, espectroscopia y descargas eléctricas en gases. A unque los p rim eros experim entos con descargas en tubos de v id rio al vacío se realizaron tan p ro n to com o a finales del siglo xvm , fue sólo en la década de 1850 que el área a tra jo serio interés, sobre todo com o resultado del trabajo p ionero del suizo Auguste de la Rive y del alem án Julius Plücker. Johann W ilhelm H itto rf, un estu d ian te de Plücker, investigó de m anera sistem ática la luz que aparecía en los tubos, y la identificó con rayos que se em itían del cátodo y se m ovían en línea recta a tra vés de u n espacio libre de cam pos; es decir, con los rayos catódicos, u n nom bre que in tro d u jo p o r vez p rim era el físico berlinés Eugen G oldstein en 1876. El tem a se h a bía convertido p o r aquel entonces en una im p o rtan te parte de la física; recibió a ten ción adicional de los experim entos realizados p o r W illiam Crookes en Inglaterra. En 1879, Crookes lanzó la hipótesis de que los rayos catódicos e ran corpusculares: una corrien te de m oléculas electrificadas, o lo que el llam aba un «cuarto estado de la m a

cne$ cuánticas28؛ Generac

teria». El joven H einrich H ertz fue u n o de los m uchos que sentían el atractivo reto que p resen taba el nuevo cam po, sobre to d o po rque parecía ofrecer u n a vía ráp ida hacia el reconocim iento , pero tam bién p o rque los fenóm enos de descarga e ran enig- m áticos y sim plem ente fascinantes de m irar. «En m edio de todo», escribió acerca de sus p rim eros experim entos en 1882, «se halla la lum inosa cam pana en la cual los gases represen tan las m ás enloquecidas travesuras bajo la influencia de las descargas y p roducen los fenóm enos m ás extraños, variados y coloridos. Realm ente, m i habita- ción se parece m ucho en estos m om en tos a la cocina de u n a bruja» (Buchwald 1994, p. 132). Eos aparatos clave en las cocinas de b ru ja de H ertz y de o tro s investigadores de los rayos catódicos eran una serie de tubos de vacío específicam ente diseñados, provistos de electrodos, u n a bob ina de inducción de R uhm korff para generar la alta tensión necesaria y, por ú ltim o -p e ro no p o r ello m enos im p o rta n te - , las vitales bom bas de vacío.

Visto en retrospectiva, la p regun ta sobre la naturaleza de los rayos catódicos era ظ más im portan te en esta área de investigación. Sin em bargo, no se consideraba un asunto de crucial im portancia . M uchos físicos se ocupaban de o tros aspectos de los fenóm enos de descarga, com o las zonas o tubos de luz coloreada y su com porta- m iento bajo la acción de cam pos m agnéticos. Al final de la década de 1890, algunos físicos creían haber hallado u n nuevo tipo de rayos catódicos, a veces denom inados «rayos m agnéticos», pero la proclam ación de este descubrim iento no fue general- m ente aceptada. El fracaso de H ertz en detectar una deflexión de los rayos catódicos cuando éstos cruzaban el cam po eléctrico de un condensador p lano le llevó a concluir que los rayos eran eléctricam ente neu tros y que no eran un efecto p rim ario de la descarga. De acuerdo con esto p u n to de vista, fluía una corrien te eléctrica po r den tro del tubo, pero los rayos catódicos observados eran d istintos de la corrien te que generaba los rayos com o una especie de flujo ٧ onda en el éter. Las conclusiones de H ertz eran contrarias a la hipótesis corpuscular de Crookes y otros investigadores británicos, pero era apoyada p o r la m ayoría de los físicos alem anes. Recibió un fuerte apoyo experim ental p o r parte de los experim entos realizados en 1894 p o r el estudiante de H ertz, Rhilipp Lenard, quien colocó una delgada película de m etal com o ventana en el tubo y m ostró que los rayos catódicos podían atravesarla. Si los rayos fueran haces de partículas atóm icas o m oleculares está perm eabilidad no podía explicarse. Toda el área era confusa, con evidencia experim ental en desacuerdo con todos los pun tos de vista rivales, y n inguna que pud iera d iscrim inar c laram ente en tre ellas. Por ejem plo, el m ism o año en el que Lenard proporc ionó apoyo experim ental a la hipótesis del pulso del é te r ,}. j. T hom son en Inglaterra argum entó que la velocidad de los rayos cató- dicos era tan sólo u n a m ilésim a de la luz; si los rayos fueran procesos e lec tro im án¿- ticos en el éter, cabía esperar que la velocidad fuera m uy cercana a la de la luz. Los experim entos de Lenard, y la situación indecisa en la investigación general de los rayos catódicos, h icieron que m uchos físicos alem anes abo rdaran el problem a. U no de ellos fue W ilhelm C onrad R óntgen, u n profesor de física relativam ente poco distinguido de la universidad de ^ 'ü rz b u rg .

Descargas en gases y lo que siguió 29

Un nuevo tipo de rayos

Inspirado po r los hallazgos de Lenard, Róntgen em pezó a investigar la penetrabili- dad de los rayos catódicos en el otoño de 1895. C om o otros físicos que experim entaban con los rayos, utilizaba una pantalla con platino-cianuro bario para detectar la fluorescencia causada po r los rayos catódicos. La pantalla, que se suponía no desem peñaba n in gún papel en el experim ento particular, se colocaba a cierta distancia del tubo, que se cubría con cartón negro y se operaba en una habitación a oscuras. El 8 de noviem bre de 1895, Róntgen notó , para su sorpresa, que la pantalla em itía fluorescencia, u n fenóm eno que no podía ser causado por los rayos catódicos en absoluto. Tras confirm ar que el fenóm eno era real, em prendió una investigación sistemática de lo que pronto empezó a considerar un nuevo tipo de rayos, distintos tanto de la luz com o de los rayos catódicos. En palabras del propio Róntgen, de su com unicación original de enero de 1896, su observación fue ésta: «Si pasam os la descarga de una bobina de R uhm korff a través de un [tubo de] H itto rf o un aparato de Lenard, Crookes o sim ilar que esté suficientem ente exhausto y cubrim os el tubo con un m anto que se ajuste bastante, o con cartón negro delgado, observam os en una habitación totalm ente oscura que una pantalla de papel cubierta con cianuro-platino-bario se ilum ina brillantem ente y em ite fluorescencia tanto si se orienta su lado tratado com o el o tro hacia el tubo de descarga» (Segré 1980, p. 22). El 8 de noviem bre es el aniversario oficial de los rayos X, pero por supuesto es dem asiado simplista afirm ar que R óntgen sim plem ente descubrió los rayos la tarde de esta fecha. Se percató de un fenóm eno sorprendente, y transform ar la observación original en u n descubrim iento requirió trabajo duro y m ucha reflexión. Sólo fue a finales del año que Róntgen estuvo seguro de que realm ente había descubierto u n nuevo tipo de rayos y entonces anunció su descubrim iento. Llamarlo el descubrim iento de año, incluso de la década, no sería ninguna exageración. C ontrariam ente a la práctica de una generación de físicos posterior, Róntgen no convocó una conferencia de prensa. De hecho, trabajó solo y m antuvo su descubrim iento en secreto hasta que apareció publicado.

Los nuevos rayos de R óntgen causaron una enorm e conm oción, sobre todo entre físicos y doctores de m edicina, pero tam bién entre el público en general. La pregunta n ú m ero uno entre la com unidad de físicos se refería a la naturaleza de los nuevos rayos, cuya categorización y com prensión parecía incluso más difícil que la de los rayos catódicos. Es sus investigaciones prelim inares, Róntgen había hallado que los rayos com partían algunas de las propiedades de la luz, en el sentido de que seguían líneas rectas, afectaban a las placas fotográficas y no eran influidos po r cam pos magnéticos; po r otro lado, no exhibían ni reflexión ni refracción y por tan to parecían ser distintos tan to a la luz com o a las ondas electrom agnéticas hertzianas. Sugirió tentativam ente que los rayos podrían ser vibraciones longitudinales del éter, una idea que recibió apoyo de varios físicos duran te un tiem po. Sin embargo, ni ésta ni otras ideas, incluyendo la sugerencia de que los rayos X eran un tipo extrem o de radiación ultravioleta, ganó reconocim iento general. D urante más de una década, los físicos trabajaron felizmente con los rayos X sin saber con qué trabajaban. Esta falta de conocim iento no im pidió que se estableciera un creciente cuerpo de conocim iento em pírico sobre los nuevos rayos, ni im pidió

nes cuánticas30©؛ Generac

que los rayos se utilizaran com o herram ienta en física experim ental. Por ejemplo, pron- to se advirtió que los tubos de rayos X eran idóneos para ionizar gases y, p o r esta capacidad, los nuevos tubos se utilizaban am pliam ente en experim entos. El debate sobre la naturaleza de los rayos X continuó hasta que se acum ularon ظ suficientes evidencias apun tando a que se trataba de una especie de onda electrom agnética (transversal), posiblem ente con una longitud de onda extrem adam ente corta. Esta creencia se hizo más ftrerte cuando el físico británico Charles Barkla concluyó, a p artir de experim entos de dispersión en ¡905, que los rayos X m ostraban polarización. Mas el asunto no estaba resuelto en absoluto, y otros experim entos parecieron contradecir la hipótesis ondulatoria y favorecer un tipo de radiación corpuscular, com o sostuvo W illiam Bragg en ¡907. Con la ventaja de u n pun to de vista posterior, podem os decir que la confusa situación experim ental reflejaba la dualidad onda-corpúsculo sólo aclarada con la llegada de la m ecánica cuántica. Eos rayos X son tanto partículas com o rayos, así que no es extraño que los físicos de principios de siglo obtuvieran resultados am biguos. Sobre 1910, pare- cía que los rayos X podrían ser sim plem ente ondas electrom agnéticas de longitud de onda m uy corta. Si esto fuera así, la difracción de los rayos requeriría una red con un es- paciam iento igualm ente corto, y en 1912 M ax von Laue se dio cuenta de que estos es- paciam ientos se encontraban en las distancias interatóm icas entre los iones de un cristal. El experim ento fue llevado a cabo p o r el físico de M únich W alter Friedrich y su estudiante Paul K nipping en [٤١ prim avera de 1912. La colaboración entre el teórico Laue y los experim entales Friedrich y K nipping resultaron en el prim er patrón de difracción de rayos X de la historia. Esto proporcionó, a la vez, una prueba decisiva de que los rayos X eran ondas electromagnéticas, con una longitud de onda con un orden de mag- n itud de 10~13 m. A partir de los experim entos de M únich surgió una nueva ram a enor- m e de investigación en rayos X, el uso de la difracción de rayos X en cristalografía. Con pioneros com o W illiam H. Bragg y su hijo W illiam L. Bragg, entre otros, la ram a pron- to pasó a ser de gran im portancia en quím ica, geología, m etalurgia e incluso biología. Por ejemplo, la cristalografía de rayos X fue un elem ento clave en la celebrada determ i- nación en 1953 de la estructura de doble hélice de la m olécula de ADN.

A finales de la década de 1890, el sensacional descubrim iento de R óntgen causó una revolución m enor en la física e inspiró a m uchos físicos a em pezar a investigar el nuevo fenóm eno. Raras veces se ha recibido un descubrim iento de m anera tan entusiasta tan to p o r científicos com o p o r no científicos. De acuerdo a ط bibliografía, sólo en 1896 aparecieron 1.044 publicaciones sobre rayos X, incluyendo 49 libros. Entre los m uchos físicos que se unieron a la tendencia de los rayos X estaba H enri Becquerel, profesor de fí- sica en el M useo de Fíistoria N atural de París-

De ١٠$ rayos de Becquerel a la radiactividad

En enero de 1896, el descubrim iento de R óntgen se discutió en la Academ ia Fran- cesa de las Ciencias, donde Poincaré sugirió que la causa de los rayos podría no ser eléctrica, sino relacionada con la parte fluorescente del tubo de vidrio. Si eso era así,

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo 5

des generalizaciones de la ciencia m oderna [...] que todos los fenóm enos del universo físico no son sino m anifestaciones diferentes de los distintos m odos de m ovim iento de una sustancia que todo lo inunda: el éter».

Maxwell consideró la posibilidad de explicar la gravedad según su teoría electrom agnética, pero abandonó tras darse cuenta de que entonces tendría que a tribu ir una enorm e energía intrínseca al éter. O tros físicos Victorianos se desanim aron m enos fácilm ente y, en el ú ltim o cuarto del siglo, hubo num erosos in tentos de explicar o revisar la divina ley de la gravedad de New ton. Algunos de estos in tentos se basaban en m o delos electrodinám icos y otros en hidrodinám icos. Por ejemplo, en los años 1870 el físico noruego Cari A. Bjerknes estudió el m ovim iento de cuerpos en un fluido infinito e incom presible, llegando a la conclusión de que dos esferas pulsantes darían lugar a fuerzas entre ellas que cam biarían con el inverso de la separación entre sus centros. C onsideró esto com o una posible explicación hidrodinám ica de la gravedad, o al m enos una analogía interesante. El trabajo de Bjerknes fúe retom ado por algunos teóricos b ritánicos y en 1898 fúe revivido p o r el alem án A rthur Korn de la Universidad de M únich, quien desarrolló una teoría hidrodinám ica de la gravitación. En ese m om ento, sin em bargo, el enfoque estaba puesto en la electrodinám ica y los com plejos m odelos h id ro dinám icos del estilo de Bjerknes y Korn no despertaron m ucho interés.

Relacionados con el pensam iento de la h idrodinám ica, pero de m ayor im portancia y grandiosidad (si b ien no con m ayor éxito), fúeron los in tentos de constru ir el m u n do únicam ente a p a rtir de estructuras en el éter. La teoría m ás im portan te de las no electrom agnéticas fue la teoría atóm ica de vórtices, originalm ente sugerida en 1867 p o r W illiam T hom son (m ás tarde, Lord Kelvin) y desarrollada u lterio rm ente p o r toda una escuela británica de físicos m atemáticos. De acuerdo con esta teoría, los átom os eran m odos de m ovim iento de los vórtices en un fluido prim itivo, perfecto, norm alm ente identificado con el éter. En su ensayo de 1882, prem io Adams, el joven J. J. T hom son relató de m anera elaborada la teoría de vórtices y la extendió a problem as quím icos, in cluyendo la afinidad y la disociación. La teoría tam bién se aplicaba al electrom agnetism o, la gravitación y la óptica y era un in ten to am bicioso de establecer una «teoría del todo» un itaria y continua basada únicam ente en la dinám ica del éter. Tan tarde com o en 1895, W illiam Hicks presentó u n inform e optim ista sobre lo más novedoso del á to m o de vórtices en el encuentro anual de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS en sus siglas en inglés, British A ssociation for the A dvancem ent o f Science). Vale la pena dedicarle algo de espacio a u n a cita de Hicks que expone su p u n to de vista sobre la m eta de la física teórica:

M ientras, p o r u n lado, la finalidad de la investigación científica es el descubrim ien

to de leyes, p o r el o tro , la ciencia habrá alcanzado su m áxim o objetivo cuando haya re

ducido las leyes a una o dos, cuya necesidad está fuera de la esfera de nuestro en ten d i

m ien to . Estas leyes ú ltim as - e n el d om in io de la ciencia física al m e n o s - serán las leyes

de la d inám ica de la relación de m ateria a núm ero , espacio y tiem po. Los ú ltim os datos

serán los m ism os núm ero , m ateria, espacio y tiem po. C uando estas relaciones se conoz-

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tensivam ente la geonietría no euclídea para su trabajo en astronom ía. A pesar de que estos y otros trabajos eran, po r 1© general, especulativos y siem pre hipotético،؟, a finale,؟ de siglo existió u n grupo pequeño de investigadores que consideraron los m odelos de éter hiperespaciales o que si no in ten taron relacionar el espacio " con pro-blemas de interés físico. Especulativos o no, estos intentos se consideraban legítimos en el m arco del espíritu de la física característico de los años 1890.

Eos m odelos hidrodinám icos del éter diferían del p rogram a laplaciano de la física, pero en todo caso se apoyaban en u n a base m ecánica y no eran in tentos de derrocar la im agen del m undo new toniana. Después de todo, la h idrodinám ica es la ciencia m e- cánica de los fluidos. La term odinám ica, la ciencia del calor y de otras m anifestaciones de energía, constitu ía u n problem a m ucho m ás difícil para la cosm ovisión clásica. A veces se argum entaba que esta ram a de la física no sólo era diferente de la m ecánica en principio, sino que adem ás tenía p rio ridad sobre ésta com o u n a base m ás sólida sobre ط que sería posible constru ir toda la física. En los años 1890, ju n to con la electrodiná- mica, la te rm odinám ica em pezó a com petir con la m ecánica en lo relativo a problem as de base. En esta década se daba un debate continuo sobre la unidad de la física, y no estaba en absoluto claro qué disciplina podría servir m ejor com o base de la un idad que casi todos los físicos creían que su ciencia debía tener.

M ientras que la ley de conservación de la energía se explicaba con éxito en térm ¡- nos m ecánicos, la segunda ley de la term odinám ica no sucum bió tan fácilm ente a és- tos. Para em pezar, las leyes de la m ecánica son reversibles, o sim étricas en el tiem po, m ientras que la segunda ley de la term odinám ica establece u n cam bio irreversible en la entropía. En su fam osa teoría m ecánico-estadística de la entropía, desarrollada pri- m ero en 1872 y m ás com pletam ente en !877, Ludwig Boltzm ann creía que había reducido la segunda ley a principios m ecánico-m oleculares, pero su in terpretación fue puesta en duda y se convirtió en objeto de gran controversia. Uno de sus críticos, el fí- sico alem án Ernst Zerm elo, basándose en el así llam ado teorem a de recurrencia de Poincaré, argum entó en 1896 que la segunda ley no podría derivarse de la m ecánica y, p o r lo tanto , que era incom patible con una im agen m ecanicista unificada del m undo. B oltzm ann negó la validez del argum ento de Zerm elo y siguió convencido de que no había un desacuerdo profirndo entre la m ecánica y la term odinám ica.

De acuerdo con el físico Georg Eíelm y con el quím ico Ludwig Ostwald, am bos ale- m anes, la energía era el más im portan te de los conceptos unificadores de la ciencia fí- sica. Por tanto , se m antenía que una term odinám ica generalizada tendría que reem - plazar a la m ecánica com o base de la física. H elm y Ostwald llegaron a esta conclusión alrededor de 1890 y llam aron a su nuevo p rogram a la energética. En m uchos sentidos la nueva ciencia de la energética era contraria a la cosm ovisión m ecanicista y se veía com o una revuelta contra lo que se llam aba «m aterialism o científico». Esta revuelta in- cluía la postu ra de que la m ecánica tenía que ser som etida a las leyes más generales de la energética; en el sentido de que se m antenía que las leyes m ecánicas debían ser re- ducibles a principios energéticos. O tro aspecto de la energética era su negación del ato- m ism o, excepto com o útil representación m ental. O stwald y algunos otros quím icos fí-


vel local en física teórica. C om o escribió en el ensayo popu lar El viaje de un profesor alemán a El Dorado» p o r p rim era vez publicado en 1905: «En efecto, Estados U nidos conseguirá grandes cosas. Creo en esta gente, incluso después de haberles visto trab a jando en u n en to rno que no es el m ás favorable para ellos: in tegrando y derivando en un sem inario de física teórica [...]» (B oltzm ann 1992, p. 51).

La física siem pre ha sido in ternacional y los contactos entre físicos de distintas nacionalidades, incluyendo encuentros y colaboraciones, eran frecuentes en el siglo xix. Sin em bargo, las conferencias organizadas de ám bito m ás am plio eran escasas, y hasta el verano de 1900 no se convocó el P rim er Congreso In ternacional de Física, en París. Al m ism o tiem po, y en la m ism a ciudad, 200 m atem áticos participaban en el C ongreso In ternacional de M atem áticas, el segundo de su tipo. La conferencia de física estuvo organizada p o r la Sociedad Francesa de Física, en conexión con la Exposición U niversal de París ese año. Las actas del congreso en tres volúm enes incluían 70 reseñas científicas escritas p o r físicos de quince países. No es sorprendente que la m ayoría de los artículos (36) fueran franceses. A éstos les seguían 10 contribuciones alem anas y 6 británicas, m ientras que la cuarta de las principales naciones científicas, los Estados U nidos, contribu ía sólo con dos artículos. Tam bién estaban representados físicos de H olanda (4 artículos), Rusia (4), Italia (3), A ustria-H ungría (3), D inam arca (2), N oruega (2), Suecia (2), Bélgica (2) y Suiza (2); los n o blancos estaban representadas por artículos proporcionados p o r u n japonés y un indio. Por supuesto la fuerte representación francesa en el congreso de París no debería tom arse com o u n a posición equivalentem ente fuerte en la física m undial; de hecho, la física francesa, y especialm ente la física teórica, estaba en declive p o r aquel entonces y ya no era com petitiva de la física en A lem ania y G ran Bretaña. Los tem as tra tados en el congreso de París cubrían u n am plio espectro, aunque no fuera toda la gam a de la física contem poránea. La tabla 2.3 m uestra los tem as de los artículos invitados. H ubo sem inarios sobre m etrología, elasticidad, fenóm enos críticos, propiedades m ecánicas y térm icas de sólidos y líquidos, espectroscopia, presión lum ínica, ondas hertzianas, m agneto-óptica, electricidad atm osférica, física solar, biofísica y gravitación.

Tam poco se olvidaron los más recientes descubrim ientos: H enri Becquerel y los C urie hablaron de radiactividad, W ilhelm W ien y O tto Lum m er sobre la radiación del cuerpo negro (desde el pun to de vista teórico y experim ental respectivam ente), Paul Villard sobre rayos catódicos y J. J. T hom son sobre la teoría de los electrones y la constitución atóm ica. La discusión de los rayos catódicos de Villard es difícil que satisficiera a T hom son, o a la m ayoría de los o tros físicos que asistían. Tres años después de la celebrada identificación po r parte de T hom son de los rayos catódicos con los electrones libres, el físico francés argum entaba que los rayos catódicos no consistían en electrones sino en iones de hidrógeno.

C om parada con los niveles que alcanzaría, la física era una actividad rid icu lam ente barata, pero desde la perspectiva de la financiación contem poránea habitual de la ciencia, las cosas parecían diferentes. A los gastos de salarios y equipo se añadían los m uchos nuevos laboratorios que se crearon en la década de 1890 y los prim eros años


había razones para suponer que todos los cuerpos fuertem ente fluorescentes em itían rayos X adem ás de sus rayos lum ínicos. Los com entarios de Poincaré fueron asum idos p o r Becquerel, u n experto en fluorescencia, y el 24 de febrero com unicó a la academ ia que una sal doble de uranio , sulfato potásico de uranio , fluorescente, em itía lo que él creía que eran rayos X. H abía colocado la sal sobre una placa fotográfica envuelta en papel negro, la había expuesto a la luz solar du ran te varias horas, y había observado en tonces u n bien definido oscurecim iento de la placa cuando fue revelada. ¿Se había descubierto la radiactividad en este m om ento? No del todo, ya que Becquerel creía que los penetrantes rayos eran un resultado de la fluorescencia y que la exposición al sol era po r tan to crucial. Una sem ana más tarde, cuando repitió el experim ento, pero el sol no brillaba, se dio cuenta de que la sal de uran io em itía los rayos hasta en ausencia de luz solar. Entendió p o r fin que había hecho un descubrim iento, en concreto que la sal de uran io em itía penetran tes rayos sin acción eléctrica y sin la acción de la luz solar. El nuevo fenóm eno era al parecer d istin to tan to de los rayos X com o de la fluorescencia. Además, rápidam ente descubrió que los rayos tam bién eran em itidos po r o tras sales de uran io e incluso m ás fuertem ente p o r el uranio m etálico, no fluorescente. De ahí que los rayos se llam aran originalm ente a m enudo «rayos de uranio».

El descubrim iento de la radiactiv idad p o r parte de Becquerel fue afo rtunado , pero n o accidental. Al con trario que Róntgen, el físico francés se guió p o r una hipótesis que quería com probar, en particular, que los cuerpos in tensam ente fluorescentes em iten rayos X. Pero la m ayoría de los m ateriales fluorescentes no son radiactivos, así que ¿por qué se concentró en las sales de uranio? Su elección ha sido trad icionalm ente a tribu ida a la suerte, pero no se debía a la suerte en absoluto. A nteriorm ente , jun to con su padre E dm ond Becquerel (quien tam bién era profesor en el M useo de H isto ria N atural de París), había estudiado los espectros de fluorescencia de com puestos de u ran io y observado que las bandas espectrales obedecían a una notable regularidad. Es probable que esta regularidad, peculiar de las sales de u ran io fluorescentes, insp irara a Becquerel la idea de que la im agen visible del sol era trasfo rm ada en las m ucho m enores longitudes de o nda características de los rayos X. Esta transfo rm ación está p roh ib ida de acuerdo a la ley de Stokes, descubierta p o r Gabriel Stokes en 1852. De acuerdo a esta ley, los cuerpos fluorescentes tan sólo pueden em itir radiación de una long itud de o nda m ayor que la de la rad iación que los excita. La ley de Stokes es correcta -s e sigue de la teoría cuántica de la radiación— pero en la ú ltim a parte del siglo xix se dieron m uchas com unicaciones de «fluorescencia anóm ala», es decir, excepciones a la ley de Stokes. La ley no se consideraba absoluta y, de acuerdo a una teoría su gerida p o r el físico alem án Eugen Lom m el, la fluorescencia anóm ala debería tener lu gar en sustancias que exhibían el tipo de espectros regular que Becquerel había observado en las sales de uran io . Si ésta era de hecho la m anera de razonar de Becquerel, no es entonces tan ex traño que escogieran com puestos de u ran io p ara su in vestigación. Su observación original de los rayos penetran tes em anando de sales de u ran io expuestas a la luz solar pod ría tan sólo haber confirm ado lo que él m ás o m enos anticipaba. Los sucesos posteriores no lo hicieron.


Los rayos de uranio no eausaron tan ta sensaeión com o ؛os rayos X y du ran te un año o dos, Becquerel fue uno de u n puñado de físicos que estudiaba activam ente el nuevo fenóm eno. D espués de todo, los efectos de los rayos de uran io eran débiles y m uchos físicos los consideraban tan sólo un tipo especial de rayos X, aunque con u n origen cuya explicación se resistía. Desde ظ perspectiva de Becquerel, que creía que los rayos de uran io estaban relacionados con los peculiares espectros de los com puestos de uranio, no había razón para suponer que los rayos tam bién fueran em itidos p o r otros com puestos. Sólo cuando M arie y Pierre C urie descubrieron sustancias m ucho m ás ac- tivas que el u ran io la radiactividad llegó a los titulares y se convirtió en u n fenóm eno de gran im portancia para los físicos.

La radiactividad del to rio se anunció en la prim avera de 1898, de m anera ؛ndepen- d iente p o r parte de M arie C urie y del alem án G erhard Schm idt. Más tarde en el mis- m o año, M arie y Pierre Curie descubrieron en m inerales de uran io dos elem entos desconocidos hasta entonces, a los que propusieron llam ar po lonio y radio. El radio, extraord inariam ente activo, descubrió la radiactividad para el gran público e inició una nueva y excitante fase en el estudio de los rayos de Becquerel. Por cierto, los tér- m inos «radiactividad» y «sustancias radiactivas» fueron in troducidos p o r M arie Curie el m ism o año, 1898. D uran te los siguientes años, u n núm ero creciente de físicos en Eu- ropa y ” asum ieron el estudio de la radiactividad, que p ronto pasó a seruna de las áreas de la física de más ráp ido crecim iento. «Debo seguir adelante, dado que siem pre hay gente siguiéndom e», escribió R utherford a su m adre en 1902. «Debo publicar m i trabajo actual lo antes posible para m an tenerm e en la carrera. Los m ejores velocistas en esta carretera de la investigación son Becquerel y los C urie en París, quienes han llevado a cabo gran cantidad de trabajos im portan tes sobre el tem a de los cuerpos radiactivos du ran te estos ú ltim os años» (Pais 1986, p. 62).

Los prim eros trabajos sobre radiactividad eran principalm ente experimentales y de exploración. ¿Qué sustancias eran radiactivas? ¿Cómo encajaban en el sistema periódico de los elementos? ¿Cuáles eran los rayos em itidos por los cuerpos radiactivos? ¿Se veía afectada la actividad po r cambios físicos o químicos? Éstas eran algunas de las preguntas que los físicos proponían a finales del siglo - y no sólo físicos, ya que la radiactividad les preocupaba a los quím icos por igual-, ¥ ؛١ fueran físicos o químicos, su enfoque era feno- m enológico y de exploración; es decir, centrado en la recolección y clasificación de datos. Fue u n periodo de gran confusión y de callejones sin salida. Por ejemplo, duran te los prim eros ocho años del siglo, aproxim adam ente, se creía por lo general que todos los ele- m entos eran radiactivos. Después de todo, era difícil creer que la propiedad estaba confinada a unos pocos elem entos pesados, y los crudos m étodos de detección parecían ؛١! - dicar que, en efecto, se podia encontrar radiación débil en todas partes.

D e los m uchos tem as den tro del estudio de la radiactividad, la naturaleza de los rayos era uno de los m ás im portan tes. Ya en 1901 se había establecido que los rayos eran com plejos, ya que consistian en tres especies de diferente penetrab؛hda،i. Los rayos beta, fáciles de deflectar en un cam po m agnético, se identificaron ráp idam ente com o electrones veloces, m ientras se acabó descubriendo (sobre 1912) que los rayos gam m a,


neutros, eran ondas electrom agnéticas similares a los rayos X. La naturaleza de los rayos alfa era bastante m isteriosa. Los p rim eros experim entos indicaban que no se de- flectaban a través de cam pos eléctricos y m agnéticos y eran p o r lo tan to neutros, un pun to de vista que R utherford, entre otros, m antuvo duran te u n breve periodo. Sin em bargo, experim entos adicionales, llevados a cabo sobre todo p o r R utherford en la Universidad McGill en M ontreal, m ostraron que las partículas tenían carga positiva y de u n a m asa com parable a la del á tom o de hidrógeno. Sobre 1905, se había acum ulado evidencia de que las partículas alfa eran átom os de helio doblem ente cargados, He2+. La hipótesis se confirm ó brillantem ente en 1908, m ediante u n experim ento que R utherford, ahora en M anchester, realizó jun to con su asistente Thom as Royds. Rutherford y Royds p robaron m ediante espectroscopia que se producía helio a partir de las partículas alfa em itidas p o r el radón. Junto con los datos de la deflexión m agnética de los rayos alfa, esta identificación resolvió el asunto.

Incluso m ás im portan te que la naturaleza de los rayos fue la evidencia de que la ra diactividad no es un fenóm eno perm anente, sino que decae con el tiem po. U na sustancia radiactiva se convierte en o tra sustancia en el sentido de que los átom os cam bian - s e tra n sm u ta n - de un elem ento a otro. Éste era el contenido básico de la ley de transform ación sugerida p o r R utherford y por el quím ico Frederic Soddy en 1902. De acuerdo con esta ley, no sólo los átom os se transm utan , sino que tam bién lo hacen aleatoriam ente, lo cual se expresa p o r el hecho de que la transform ación posea una constante de desintegración (X) que depende sólo de la naturaleza del elem ento ra diactivo. Si el núm ero de átom os era orig inalm ente N ٠, tras un tiem po t el núm ero se vería reducido a N (t) = N 0e x p ( - \ t) . C om o R utherford dejó claro, esto significa que la probabilidad de desintegración de un á tom o es independiente de la edad de éste. Éste era u n fenóm eno m uy peculiar, y se hizo m ás peculiar aún cuando se descubrió en 1903 que la energía liberada continuam ente p o r el rad io era enorm e: unas 1.000 calorías p o r gram o p o r hora. ¿De dónde provenía la energía? Si la radiactividad procedía en efecto de cam bios subatóm icos, ¿cuál era la causa de los cambios? La m ayoría de los científicos evitaban cuestiones teóricas de este tipo, pero se consideraban legítim as en todo caso, y varios físicos y quím icos estaban dispuestos a especular sobre el origen de la radiactividad. De acuerdo con una hipótesis am pliam ente aceptada, basada en el m odelo atóm ico de J. J. T hom son, la radiactividad estaba causada p o r cam bios en la configuración in terna del átom o. Desde 1903, este tipo de m odelo dinám ico cualitativo lo p ropusieron , en diferentes versiones, T hom son , O liver Lodge, Lord Kelvin, James Jeans y otros. R utherford había abogado po r un m ecanism o sim ilar desde tan p ro n to com o 1900, y en 1904, en su clase bakeriana, argüyó que «los átom os de los ra dio-elem entos se pueden suponer com puestos de electrones (partículas (3) y grupos de electrones (partículas a) en rápido m ovim iento, y m anten idos en equilibrio p o r sus fuerzas m utuas.» Los electrones acelerados rad iarían energía y esto «debe p e rtu rb a r el equilibrio del á tom o y resultar o bien en una nueva disposición de sus partes constitutivas o en su desintegración final» (Kragh 1997a, p. 18). A unque R utherford p ronto decidió que el estado de la teoría atóm ica no perm itía una explicación bien definida de


la radiactividad, ni él ni ©tros investigadores dndaban que la radiactividad pudiera ser explicada causalm ente en térm inos de la dinám ica subatóm ica. De hech©, estos fútiles in tentos prosiguieron hasta m ediados de la década de 1920.

Sabemos que la radiactividad es u n fenóm eno ^© babilístico que desafía una expli- cación causal y que su naturaleza pr©babil؛s t؛ca se expresa m ediante ظ ley de desinte- gración. Esto tue vagam ente sugerido po r R utherford y Soddy en 1902 y aducido más com pletam ente p o r Egon von Schweidler en 1905. Desde este pun to de vista, parece extraño que los físicos, R utherford y T hom son incluidos, buscaran a pesar de todo explicaci©nes causales en térm inos de cam bios subatóm icos. Por aquel entonces, sin em - bargo, no había m otivo para sospechar que la radiactividad era causalm ente inexplica- ble p o r principio. La teoría estadística no se asociaba con la acausalidad, sino con otros fenóm enos estadísticos com o el movimient© br©wnian©, d©nde la naturaleza estadís- tica puede ser resuelta, en principio, en micr©pr©ce$©s determ inistas.

L©$ in tentos de diseñar model©s atóm icos que explicaran la radiactividad sobre una base m ecanicista no tuvieron éxito. En 1910, la m ayoría de los físicos o bien ign©raba© el p rob lem a o ad© ptaban u n a ac titu d p ragm ática de acuerd© con la cual las leyes fenom enológicas cobraban p rio ridad sobre las explicaciones ' ' Per© la na-turaleza estadística de la radiactividad no se in terpretaba c«m© una característica irreducible que hacía necesario un rechazo de los model©s causales p©r principio. Tal in- terpretación vino s(')lo con la m ecánica cuántica y, p©r esta razón, sería u n erro r ver la radiactividad com© el p rim er ejem plo c.©n»cid© de un fenóm eno acausal.

Rayos espurios, más o menos

La radiactividad, los rayos X y los rayos catódicos no eran ط única clase de rayos que atraían atención en los años alrededor de 1900. A raíz de estos fam osos descubrí- m ientas aparecieron diversas afirm aciones sobre el descubrim iento de rayos que no se confirm aron de m anera satisfactoria y que, de hecho, no existen. Si b ien estas afirm a- ciones, algunas de las cuales fúeron recibidas con gran interés y aceptadas p o r m uchos físicos du ran te un periodo de tiem po, no son m enos parte de la física que esos otros descubrim ientos que clasificamos com o «reales» hoy en día. C onsiderem os, p o r ejem - pío, la «luz negra» que fue anunciada a princip ios de 1896 por el físico aficionado fran- cés Gustave LeBon, un psicólogo y sociólogo que era u n im portan te m iem bro de uno de los círculos intelectuales de París, y que tam bién incluía a varios científicos p rom i- nenies. LeBon afirm aba haber detectado u n nueva e invisible radiación que em anaba de u n a caja de m etal cerrada irrad iada po r u n a lám para de aceite; la radiación podía p roducir una im agen en u n a placa fotográfica den tro de la caja. LeBon halló, adem ás, que la luz negra -c o m o él la d en o m in ab a- no podía desviarse en u n cam po m agnéti- co y concluyó que no podía tratarse de rayos X o catódicos. En artículos y libros publicados duran te la siguiente década, LeBon defendió su descubrim iento, realizó nuevos experim entos con la luz negra y la in terpretó com o u n a m anifestación de la desm aterialización gradual de la m ateria en la que él y m uchos o tros creían (véase tam


bién el capítulo 1). A unque las afirm aciones de LeBon se recibieron fríam ente entre la m ayoría de los físicos y quím icos, no fueron ignoradas en la literatura científica. En 1896 la Academ ia de las Ciencias de París escuchó la lectura de catorce artículos sobre luz negra, a com parar con los tres sobre los rayos de uran io de Becquerel. Entre los sim patizantes con las afirm aciones de LeBon estaba H enri Poincaré, el biofísico Arsé- ne d ’Arsonvalle y el físico y posteriorm ente p rem io N obel Gabriel L ippm ann. Sin em bargo, aunque estos y o tros científicos encontraban interesantes las especulaciones de LeBon sobre la m ateria, la electricidad y la energía, consideraban que la evidencia experim ental a favor de la luz negra era poco convincente. A lrededor de 1902, el tem a desapareció de las revistas científicas.

El falso descubrim iento de los rayos N en 1903 tiene varias características en com ún con el caso de la luz negra, pero es incluso m ás notable p o r la significante cantidad de afirm aciones de que estos inexistentes rayos se habían confirm ado. Al contrario que LeBon, René B londlot de la Universidad de N ancy era u n físico experim ental de gran reputación cuando llegó a la conclusión, en la prim avera de 1903, de que se em itía una nueva radiación de los tubos de descarga. Los rayos N (la «N» viene de Nancy) podían atravesar metales y m adera y podían ser enfocados, reflejados, refractados y d ifractados. B londlot y o tros investigadores de los rayos N, m uchos de ellos en Nancy, p ronto encon traron que los rayos se em itían tam bién p o r quem adores de gas, el sol, lám paras eléctricas incandescentes, m etales bajo deform aciones y - lo m ás sensacional— p o r el sistem a nervioso hum ano. C om o el detector B londlot em pleaba las variaciones en el brillo de u n en treh ierro y, m ás adelante, tam bién pantallas con sulfuro de calcio lum inoso. C on éstos exam inó el espectro de los rayos N, concluyendo que el fenóm eno era com plejo y que existían d istintos tipos de rayos N con distintos índices de refracción. Los rayos N no existen, pero duran te algunos años esto no fue en absoluto evidente. De hecho, al m enos cuarenta personas «vieron» los rayos y p o r tan to confirm aron la afirm ación de B londlot y una parte sustancial de los cerca de 300 artículos que se p u blicaron sobre el tem a entre 1903 y 1906 aceptaban que los rayos existían.

¿Cóm o podía ser esto posible? No cabe duda de que parte de la respuesta debe encontrarse en factores psicológicos y en la estructu ra social característica de la com unidad científica francesa. U no de los investigadores de los rayos N era el joven Jean Becquerel (hijo de H enri Becquerel), quien m uchos años más tarde explicaría sus errores iniciales de esta m anera: «El m étodo pu ram ente subjetivo utilizado para com probar los efectos [de los rayos N] es anticientífico. Es fácil en tender la ilusión que engañaba a los observadores: con un m étodo tal siem pre ves el efecto esperado cuando estás p ersuadido de que los rayos existen, y tienes, a priori, la idea de que tal o cual efecto puede producirse. Si pides a o tro observador que controle la observación, él tam bién la ve (siem pre que él esté convencido); y si u n observador (que no está convencido) no ve nada, concluyes que no tiene u n ojo sensible» (Nye 1980, p. 153). El hecho de que los rayos N eran en realidad efectos psico-fisiológicos (y psico-sociológicos) fue tam bién la conclusión de críticos com o H einrich Rubens y O tto L um m er en Alem ania, Jean Peró n en Francia y R obert W ood en los Estados Unidos. Los experim entos de B londlot

se hicieron «con radiación tan débil que ningún observad©[- fuera de Francia ha sido capaz de detectarla en absoluto», com o objetó un escéptico. La com binación de las crí- ticas y de los fallos en p roducir nuevos resultados consistentes con los rayos N tuvo el efecto de que para 1905 se alcanzara el consenso de que los rayos no existían. En Nancy, los rayos sobrevivieron unos pocos años más. Todo este episodio sería visto m ás adelante com o un caso de «ciencia patológica», pero ésta no es u n a característica razonable. La m anera en la que la investigación de los rayos N se desarrolló, no diferia fundam entalm ente de los prim eros desarrollo¿ de la física de la radiactividad o de los rayos cósmicos. U n núm ero relativam ente grande de físicos creía que los rayos N exis- tían y que había m otivos para tal creencia, pero al final las razones no fíreron lo bastan te fuertes y fueron contradichas p o r otros experim entos. El episodio ilustra la potencia de ط subjetividad y la ilusión en la ciencia, pero tam bién ilustra la ftrerza de la objetividad obtenida m ediante la repetición crítica de experim entos.

La luz negra y los rayos N eran tan sólo dos de los varios rayos espurios anuncia- dos en elperiodo 1896-1910. La radiación producida en los tubos de rayos catódicos colocados en u n cam po m agnético fuerte se había estudiado desde la década de 1850 y, al final del siglo, algunos físicos apo rta ron pruebas de una nueva clase de rayos ca- tódicos que se com portaban com o pulsos de em anación m agnética. Estos «rayos mag- neto-catódicos» atrajeron u n considerable interés; los físicos discutían sobre si eran realm ente u n nuevo tipo de rad iación eléctricam ente n eu tra o si se pod ían explicar m ediante la noción de electrones de los rayos catódicos ordinarios. El d istinguido fí- sico italiano A ugusto Righi creía en 1908 que había encon trado evidencia innegable de lo que él llam aba «rayos m agnéticos» y los explicaba com o corrientes de dobletes neutrales com puestos de electrones un idos débilm ente a iones positivos. De 1904 a 1918, se publicaron 65 artículos sobre los rayos m agnéticos, dos tercios debidos a Rig- h i y o tros físicos italianos. Si los rayos N eran franceses, los rayos m agnéticos eran rayos italianos. M ientras que casi todos los artículos italianos apoyaban el pu n to de vista de Righi sobre los rayos m agnéticos, n inguno de los de fuera de Italia aceptaba su afirm ación. La controversia te rm inó en 1918, cuando nuevos experim entos m ostraron que la afirm ación de Righi no podía ser correcta. M ientras que los fenóm enos en los cuales se basaba la afirm ación de los rayos N eran espurios, los experim entos de Righi con rayos m agnéticos no se discutían. Su in terp retación fue lo único que se pro- bó com o falso.

Los inform es sobre rayos cósm icos no estaban inicialm ente m ejor fim dados que los de los rayos N. Las m edidas de iones libres en la atm ósfera em pezaron sobre 1900, cuando se creía generalm ente que los iones tenían su origen en la radiactividad, ya fuera de la tie rra o de sustancias gaseosas en el aire. Existían especulaciones ocasionales sobre u n posible origen extraterrestre, pero duran te u n tiem po las m edidas eran todas dem asiado im precisas para sostener esta conclusión. Si la fuerza de la radiación at- m osférica fuera la tierra, la intensidad debería decrecer con la altitud; si el origen fuera cósmico, debería increm entarse. Los experim entos que se realizaron alrededor de 1910 -a lgunos desde globos aerostáticos, algunos desde lo alto de la Torre Eiffel- sólo


produjeron confusión: algunas m edidas no m ostraban n inguna variación apreciable con la altitud , algunas m ostraban un decrecim iento, y algunas un increm ento. No fue sino hasta 2 ل9ل cuando el físico austriaco V ictor Hess obtuvo resultados más fiables duran te u n vuelo en globo que lo llevó a una altitud de 5.350 m . Hess halló que la intensidad de la reacción prim ero decrecía pero luego, a altitudes m ayores de 1.500 m, em pezaba a ascender m arcadam ente según la a ltitud se increm entaba. Hess concluyó «que una radiación de m uy alto poder penetran te en tra en nuestra atm ósfera desde arriba» (Xu y Brown 1987, p. 29). La conclusión fue confirm ada por el alem án W erner Kohlhórster quien llevó su globo a una altitud m áxim a de 9.300 m etros en 1913-1914. Con estas m edidas, la existencia de u n a radiación cósm ica penetran te de naturaleza desconocida quedó establecida, pero hizo falta u n a década para que la m ayoría de los físicos se convencieran de que la radiación era real. C uando M illikan llevó a cabo m e- didas desde vuelos en globo sin tripu lación en 1922-1923, no consiguió confirm ar los resultados de Hess y Kohlhóster y concluyó que la radiación penetran te no existía. Dos años después, sin em bargo, encontró la radiación altam ente penetran te , acuñó el tér- m ino «rayos cósmicos», y dejó de dar crédito en sus inform es a los resultados que se habían obten ido en Europa m ucho antes. En los Estados U nidos, se referían a los rayos con frecuencia com o «rayos de M illikan» y M illikan no protestaba, ?ero Hess fue al final reconocido com o el verdadero descubridor de la radiación y en 1936 recibió el pre-

TABLA 3.1Reivindicaciones de descubrim ientos, 2 ةا95-ل9ل y su estado en 1915

Entidad A ño Científicos Estado en 1915

Argón 1895 Rayleigh y W. Ramsay aceptado

Rayos X 1896 W. R óntgen aceptado

R adiactividad 1896 H. Becquerel aceptado

Electrón 1897 J. J. T hom son aceptado

Luz negra 1896 G .LeB on rechazado

Rayos de canal 1898 W. W ien aceptado

Eterio 1898 C. Brush rechazado

Rayos N 1903 R. B londlot rechazado

Rayos m agnéticos 1908 A. Righi en duda

Rayos M oser 1904 J. Blaas y R C zerm ak rein terpretado

Electrones positivos 1908 J. Becquerel re in terpretado

Rayos cósm icos 1912 V. Hess incierto

Nota: Los rayos de canal, o rayos positivos, fueron identificados en tubos de rayos catódicos por Eugen Goldstein en 1886; se encontró que consistían de iones de gas positivos. Eterion fue el nom bre de un elemento químico consistente puram ente de éter que Charles Brush reivindicaba haber descubierto. Los rayos de Moser o metálicos, propuestos por primera vez por el físico L. F. Moser en 1847, a veces se pensaba que eran rayos emanantes de los metales iluminados y de otras sustancias. El fenómeno fue explicado como foto y electroquímico en la naturaleza.


m ió Nobel p o r su descubrim iento. Véase tabla 3.1 para un resum en de las afirm aciones de descubrim ientos principales en el periodo de 1895-1912.

El electrón antes de Thomson

A pesar de que se reconoce 1897 com o el año del nacim ien to oficial del electrón, sería dem asiado sim plista afirm ar que J. J. T hom son sim plem ente descubrió la p a r tícula en ese año. El electrón tiene u n a in teresante y com pleja p reh isto ria cuya pista puede rem ontarse razonablem ente hasta la p rim era parte del siglo xix. De acuerdo con el p u n to de vista de la teoría eléctrica favorecida en el con tinente , la m ateria consistía en, o incluía, corpúsculos eléctricos que in terac tuaban instan táneam ente. Esta versión de la electricidad y el m agnetism o se rem o n ta a A ndré-M arie A m pére y O ttaviano M ossotti en la década de 1830, y se puede encon trar en u n a form a ru d im en ta ria tan p ro n to com o 1759, en u n trabajo del científico ruso Franz TEpinus. M ás adelante en el siglo xix fue desarrollada m ucho m ás p o r varios físicos alem anes, incluyendo a R udolf C lausius, W ilhelm W eber y K arl-Friedrich Zóllner. En estas teo rías, se consideraba que los constituyentes fundam entales tan to de la m ateria com o del éter eran hipotéticas partículas eléctricas. En este sentido, las partículas se corresp ond ían con los electrones posteriores. D uran te la década de 1850 y m ás adelante, W eber y o tros in ten ta ron constru ir m odelos de la m ateria y del éter a p a rtir de p a r tículas de carga positiva y negativa +e y -e , siendo e una u n id ad de carga desconocida. Sin em bargo, con la creciente popu laridad de la teoría de cam pos m axw elliana (d o n de no hay sitio para las partículas eléctricas) las teorías fúeron abandonadas p o r la m ayoría de los físicos.

U na fuente bastante distin ta del concepto m oderno de electrón se puede encontrar en la in terpretación corpuscular de las leyes electrolíticas de M ichael Faraday, especialm ente com o las enunciaron George Johnstone Stoney en Irlanda y H erm ann von H elm holtz en Alemania. En 1874, Stoney p ropuso el «electrino» com o un idad de carga eléctrica, y en 1891 in trodu jo el «electrón» com o una m edida de la un idad de carga atóm ica. Independien tem ente de Stoney, H elm holtz discutió la causa de los «átom os de electricidad» en su sem inario Faraday de 1881. El electrón de S toney-H elm holtz p o día ser tan to una carga positiva com o negativa y, al contrario del concepto de electrón posterior, se concebía com o una unidad de can tidad de electricidad m ás que com o una partícula que residiera en todas las form as de la m ateria. En algunos de sus escritos, sin em bargo, Stoney asoció su electrón no sólo con la electrólisis sino tam bién con la em isión de luz. En 1891 sugirió que los electrones ro tando en m oléculas o átom os podrían ser responsables de las líneas espectrales, una idea que estaba cercana a la que se aceptaría p o r teóricos del electrón posteriores.

U na tercera versión em ergió a principios de la década de 1890 en conexión con las «teorías del electrón», in troducidas principalm ente p o r H endrik A. Lorentz en los Países Bajos y Joseph Larm or en Inglaterra. (Las teorías de Lorentz y Larm or diferían en m uchos aspectos, pero para nuestros propósitos ignorarem os las diferencias.) Al con


trario que las otras versiones, el electrón de L orentz-Larm or era parte de la teoría del cam po electrom agnético y se concebía com o una estructu ra en el éter continuo. Estas estructuras con características de partícula se denom inaban habitualm ente «partículas cargadas» o «iones», pero en su teoría de 1894, Larm or in trodu jo el té rm ino de Stoney

electrón» para referirse a una singularidad en el éter electrom agnético. Cualquiera que fuese el nom bre, el concepto in troducido p o r Lorentz y Larm or era al principio una en tidad altam ente abstracta que no se m anifestaba necesariam ente com o una p a rtícula real y observable. Sus partículas cargadas eran de carga y m asa no especificadas y generalm ente no se pensaba que fueran subatóm icas. El electrón electrom agnético de Larm or era principalm ente una estructura libre en el éter, pero desde aproxim adam ente 1894, em pezó a considerar a los electrones tam bién com o unidades p rim ord iales de m ateria, con carga o b ien positiva o b ien negativa. Por ejem plo, en 1895 sugirió que «una m olécula [átom o] podía estar form ada de, o involucrar, una configuración estacionaria de electrones girando» (Larm or 1927, p. 741). Los electrones electrom agnéticos habían hecho su en trada en la teoría atóm ica, aunque hasta entonces de una m anera laxa. H asta 1896, n inguna de las tres ru tas hacia el electrón que se han m en cionado operaban con partículas que tuvieran u n a razón carga/m asa (e/m ) m ucho m ayor que las razones de los iones determ inadas m ediante electrólisis.

En 1896 tuvo lugar un cam bio crucial en la conceptualización del electrón, con el descubrim iento de Pieter Zeem an de la influencia m agnética sobre la frecuencia y po larización de la luz. Zeem an observó u n ensancham iento de las líneas espectrales am arillas del sodio, un resultado que era no sólo im previsto para la teoría sino tam bién aparentem ente contrad ictorio con las teorías de la em isión de luz asociadas con las teo rías del electrón de Lorentz y Larmor. C uando Zeem an com unicó su resultado a Lorentz, su antiguo profesor y en ese m om ento colega en la universidad de Leiden, éste respondió que «eso tiene m uy m ala pinta; no está de acuerdo en absoluto con lo que cabe esperar» (A rabartzis 1992, p. 378). Sin em bargo, lo que al principio aparentaba ser u na seria anom alía, rápidam ente se convirtió en una brillante confirm ación de la teoría del electrón. Según Lorentz, la em isión de luz era consecuencia de «iones» v ib ran do. C uando se encontró con el descubrim iento de Zeem an, calculó en un caso sencillo qué efecto tendría si u n cam po m agnético actuara sobre la fuente de luz. El resultado fue que la frecuencia original bien definida se separaría en dos o tres frecuencias distintas con u n ensancham iento que dependería de la razón e/m del ión. Lo que Zeem an había observado era u n desdibujam iento, no una separación de las líneas, pero guiado p o r la predicción de Lorentz, encontró las líneas separadas en experim entos posteriores. Además, a p a rtir del ensancham iento observado, se encontró un valor de e/m n o tablem ente grande a p a rtir de la teoría de Lorentz; en concreto, de un orden de m agn itud 107 em u/g, o aproxim adam ente 1.000 veces el valor electrolítico del h idrógeno (1 em ú, o un idad electrom agnética, equivale a 10 culom bios). M ientras que la p rim era reacción de Lorentz había sido considerar el valor «m uy malo» para su teoría, se dio cuenta que teoría y experim ento se podían reconciliar si los osciladores iónicos (los electrones) tuvieran esta razón e/m tan grande. O tro resultado im portan te se seguía del


análisis de Lorentz: que la polarización observada de los com ponentes requería que los osciladores estuvieran cargados negativam ente.

El efecto Zeem an, ju n to con fenóm enos tales com o la conductiv idad eléctrica y las propiedades ópticas de los m etales, llevaron a Lorentz y a o tros a una noción m ás restring ida y definida del electrón: ahora se veía cada vez m ás com o u n a partícu la subatóm ica y de carga negativa con una razón carga/m asa unas m il veces superior al valor num érico del ión hidrógeno. Este valor tan grande podía significar, o bien u n a carga m uy grande, o bien una m asa m uy pequeña, o una com binación de las dos. Antes del descubrim iento de Zeem an, Larm or había a tribu ido al electrón una m asa com parable a la del á tom o de hidrógeno; tras el descubrim iento, y justo antes de los experim entos de J. J. T hom son, estaba dispuesto a considerar un electrón m ucho m ás pequeño que el á tom o de hidrógeno. En unos pocos meses todo este asunto adquirió una nueva perspectiva gracias a los resultados obtenidos del estudio experim ental de los rayos catódicos.

La primera partícula elemental

C om o hem os visto, cuando J. J. T hom son llevó a cabo sus celebrados experim entos en 1897, el electrón era una partícu la bien conocida, aunque hipotética. Sin em bargo, esto no significa que T hom son descubriera experim entalm ente lo que Lorentz y otros habían predicho teóricam ente. La partícula de T hom son al princip io se consideraba distinta a las versiones anteriores del electrón, e hicieron falta varios años para que las distintas imágenes confluyeran en una concepción del electrón singular y unificada.

La cuestión sobre la naturaleza de los rayos catódicos -¿eran procesos corpusculares o etéreos?- no se discutía m ucho en Inglaterra hasta 1896, cuando el descubrim iento de R óntgen hizo que los rayos catódicos adquirieran prom inencia. Fue sobre todo este descubrim iento el que hizo que T hom son asum iera el problem a; p o r lo ta n to, puede argum entase que no sólo la radiactividad se debe a los rayos X, sino que tam bién el electrón, aunque de u n a m anera m enos directa. Convencido de que los rayos catódicos eran corpusculares, T hom son decidió m edir su velocidad y su valor de e/m . En su prim era serie de experim entos, m idió las dos cantidades com binando la deflexión m agnética con u n m étodo calorim étrico (term oeléctrico) de m edir la energía cinética de los rayos. Ya que los experim entos indicaban que el valor de e/m era independiente tan to del m aterial del cátodo com o del gas en el tubo, sugirió que las partículas de los rayos catódicos eran constituyentes subatóm icos universales de la m ateria. Por aquel entonces todavía no había deconstruido el experim ento de H ertz, que era un argum ento con tra la hipótesis corpuscular. Pero esto no le preocupaba, puesto que estaba convencido de que H ertz había fallado porque el tubo de descarga no se h a bía evacuado lo suficiente y que la falta de deflexión observada era resultado de la conductiv idad en el gas residual.

Fue sólo en un experim ento posterio r cuando T hom son probó su caso, deflectan- do electrostáticam ente rayos catódicos en u n tubo altam ente vaciado. M anipulando los

41 que siguió ؛ه Descargas en gases y

rayos en un cam po cruzado m agnético y ' tenía a su disposición o tro mé-todo de determ inar e/m; el resultado que obtuvo estaba de acuerdo con el del m étodo original. En su fam oso artículo publicado en Philosophical M agazine en octubre de 1897, T hom son reiteraba y am plificaba su conclusión an terior sobre la naturaleza y significación de los rayos catódicos. Prim ero, encontró que e/m era de un orden de m agnitud de 107em u/g, lo cual in terpretó al princip io com o una com binación de una masa pequeña y una carga elevada. P ronto cam bió de op in ión y argum entó que la carga era igual a la un idad de carga electrolítica, lo cual significaba que la m asa de la par- tícula de los rayos catódicos era unas 1.000 veces m enor que la del á tom o de hidróge- no. En segundo lugar, lanzó la arriesgada hipótesis, a p a rtir de la escasa evidencia, de que la partícula era la constituyente de toda la m ateria, la protyle tan to tiem po busca- da, «que tantos quím icos han considerado favorablem ente». T hom son sugirió que una disociación del á tom o tenía lugar en el intenso cam po eléctrico cerca del cátodo, en concreto que los átom os del gas (no del cátodo) se rom pían en sus «átom os p rim ordiales» constituyentes, «que p o r brevedad llam arem os corpúsculos». Para T hom son, la elucidación de la naturaleza de los rayos catódicos era im portan te sobre todo dentro del contexto de la teoría atóm ica: «En los rayos catódicos tenem os m ateria en un nuevo estado, u n estado en el que la subdivisión de la m ateria se lleva m ucho m ás allá que en estado gaseoso ordinario: un estado en el que toda la m ateria [...] es de una m ism a clase; esta m ateria es la sustancia de la cual todos los elem entos quím icos se constru- yen» (Davis y Falconer 1997, p. 169).

La afirm ación de Thom son sobre la universalidad de los corpúsculos era una hipóte- sis arriesgada con sólo una base experim ental escasa. Estaba lejos de ser una conclusión derivada inductivam ente del experim ento, pero era una conclusión para la cual Thom - son estaba bien preparado. D urante m uchos años, había considerado ideas similares a las de «m uchos químicos» y existían sorprendentes similitudes entre sus corpúsculos suba- tóm icos de 1897 y la teoría atóm ica de vórtices que había sostenido m uchos años antes. Menos de u n año antes de sus prim eros experim entos sobre e/m, sugirió, en una discu- sión sobre la absorción de los rayos X, que «esto parece favorecer ط idea de Prout de que los distintos elementos son com puestos de u n elem ento prim ordial» (Thom son 1896, p. 304). En lo tocante a ط inspiración, la afirm ación de su descubrim iento y el concepto del corpúsculo parecen deber poco a la teoría del electrón contem poránea. W illiam Prout, N orm an Lockyer y Crookes fueron más im portantes que Larmor, Zeem an y Lorentz. La conclusión de Zeem an-Lorentz sobre los electrones subatóm icos estaba de acuerdo con el pun to de vista de Thom son, pero no influyó m ucho sobre éste.

T hom son llam ó a sus partículas prim ordiales «corpúsculos». D ado que el nom bre de «electrón» ya se utilizaba y que la teoría del electrón iba de cam ino a convertirse en una ram a de m oda en física teórica, ¿por qué no llam ó a las partículas con ese nom - bre? Para ser breves, T hom son no creía que su partícula fuera idéntica a la partícu la de Lorentz-Larm or y enfatizó la diferencia escogiendo otro nom bre. De acuerdo con T hom - son, los corpúsculos de los rayos catódicos no eran etéreos -cargas sin m ateria, com o dirían los teóricos del e lec tró n - sino partículas m ateriales cargadas, p ro to -á tom os de


naturaleza quím ica. En su artículo de octubre de 1897, T hom son consideraba brevem ente la posibilidad de som eter a la m ateria corpuscular a «investigación quím ica d irecta», pero rechazaba la idea porque la cantidad de sustancia corpuscular p roducida en un tubo de rayos catódicos era, con m ucho, dem asiado pequeña. La identificación de los corpúsculos con los electrones libres fue sugerida p o r prim era vez p o r George FitzGerald, inm ediatam ente después de que T hom son anunciara su descubrim iento. De m anera característica, FitzGerald consideraba la rein terpretación u n a ventaja p o rque «no supone que el electrón sea una parte constituyente del átom o, ni que estem os disociando átom os, n i que, en consecuencia, estem os siguiendo el cam ino de los alquim istas» (Falconer 1987, p. 273). Sin em bargo, esto es exactam ente lo que Thom son asum ía. De acuerdo con él, los átom os no sólo se com ponían de corpúsculos, sino que tam bién pod ían descom ponerse en corpúsculos.

A T hom son se le conoce com o el descubridor del electrón porque sugirió que los corpúsculos eran constituyentes subatóm icos de la m ateria, partículas elementales; porque apo rtó alguna evidencia experim ental a esta sugerencia; y porque sus con tem poráneos y los físicos posteriores aceptaron y sustantivizaron esta afirm ación. No descubrió el electrón sim plem ente m id iendo el valor de e/m de los rayos catódicos. Estas m edidas, m ás precisas que las de T hom son, las estaban llevando a cabo al m ism o tiem po Emil W iechert y W alter K aufm ann en Alemania. El p rim er resultado de W iechert fue e/m = 2 x 107 em u/g y K aufm ann obtuvo inicialm ente unos 107 em u/g, lo cual, más avanzado el m ism o año, m ejoró a 1,77 x 107 em u/g. El valor m edio de T hom son era 0,77 X em u/g, a com parar con el valor m oderno de 1,76 x em u/g. A unque K aufm ann, com o T hom son, varió el m aterial del cátodo y del gas en el tubo , no sugirió a p a rtir de sus datos que los rayos catódicos fueran corpusculares. W iechert sí lo hizo, pero no hizo las m ism as am plias generalizaciones de su colega de C am bridge, y así perdió uno de los m ás im portan tes descubrim ientos de la h istoria de la física.

La idea de T hom son sobre corpúsculos o electrones recibió p ron ta confirm ación gracias al estudio de una am plia variedad de fenóm enos. E lectrones con valores de e/m aproxim adam ente com o los sugeridos p o r T hom son se detectaron en fotoelectricidad, radioactividad beta y fenóm enos term oiónicos, y fueron inferidos en m agnetoóptica, conducción m etálica y reacciones quím icas. Para asentar la cuestión de la m asa del electrón, su carga debía determ inarse. Esto se llevó a cabo en los años finales del siglo p o r T h o m so n y sus asociados del la b o ra to r io C avend ish , espec ia lm en te C harles T. R. W ilson y John Townsend. En 1899, había obtenido u n valor cercano al del h idrógeno en la electrólisis, lo cual correspondía a u n a m asa de electrón 700 veces m en o r que la del á tom o de hidrógeno. D urante el m ism o corto periodo el concepto del electrón se estabilizó y a finales de siglo la identificación corpúsculo-electrón se aceptaba generalm ente y se olvidó la resistencia inicial de T hom son a la idea. T hom son se quedó casi solo utilizando el térm ino «corpúsculo» para lo que otros físicos denom inaban electrón. Por aquel entonces, concebía que la m asa de las partículas era electrom agnética, lo cual ayudó a form ar una visión de consenso del electrón. El electrón se había convertido en una partícula m adura, pero otros cambios aguardaban en el futuro.


O tra im portan te consecuencia de los sucesos entre 1896-1900 fue una aceptación general de una asim etría entre cargas positivas y negativas. El electrón de Zeem an era negativo, y tam bién el corpúsculo de T hom son. Los electrones positivos de teorías electrónicas anteriores se convirtieron en partículas hipotéticas y se abandonaron d u rante los prim eros años del siglo xx. Unos poco físicos m an tuv ieron haber encontrado evidencia de electrones positivos, pero sus afirm aciones no se tom aron m uy en serio. «Si hay una cosa que la investigación reciente sobre electricidad ha establecido», escribió N orm an Cam pbell en 1907 en su M odern Electrical Theory, «es la diferencia fu n dam ental entre electricidad positiva y negativa» (Kragh 1989b, p. 213). Para resum ir, el electrón de princip ios del siglo xx ten ía carga negativa y un a m asa sobre u n a m ilésim a la del á tom o de hidrógeno; la m asa se pensaba que tenía u n origen parcial o to ta lm ente electrom agnético. El electrón podía existir librem ente o estar ligado a la m ateria y se reconocía com o un constituyente de todos los átom os, quizá incluso el único constituyente.

C AP ÍTU LO 4

Arquitectura atómica

El átomo de Thomson

Se pueden encon trar ideas especulativas sobre la constitución de los átom os m uchas décadas antes del descubrim iento del electrón, pero sólo con la nueva partícula adqu irieron los m odelos atóm icos u n estatus más realista. El electrón se aceptó generalm ente com o un bloque constituyente de la m ateria, lo cual condujo directam ente al p rim er m odelo elaborado del in terio r del átom o. El im portan te m odelo del «pudín de ciruelas» de T hom son, consistente en electrones m antenidos en posiciones de equilib rio po r u n fluido positivo, se enunció p o r prim era vez en su artículo de 1897, pero estaba en deuda con trabajos llevados a cabo m uchos años antes.

U na de las fuentes im portan tes era la teoría atóm ica de vórtices, de acuerdo con la cual los átom os se concebían com o vórtices en un fluido perfecto que invadía todo. O tra fuente fue un experim ento que realizó el físico estadounidense Alfred M. Mayer en 1878. M ayer som etió a agujas im antadas idénticam ente que flotaban en agua a la fuerza atractiva de u n electroim án central y observó que las agujas asum ían posiciones de equilibrio en círculos concéntricos. Lord Kelvin (entonces todavía W illiam Thom son) se dio cuenta inm ediatam ente de que el experim ento proporcionaba una buena analogía con la teoría atóm ica de vórtices. La analogía fue asum ida por el joven J. J. Thom son en su ensayo ganador del prem io A dam s de 1883, donde se ocupó con gran detalle m atem ático de la teoría de vórtices de Kelvin. En este trabajo, T hom son (a p a rtir de ah o ra, «Thom son» se referirá a J. J.) exam inó teóricam ente la estabilidad de u n núm ero de vórtices dispuestos en intervalos iguales alrededor de la circunferencia de un círculo. Para m ás de siete vórtices, donde los cálculos se volvían altam ente com plejos, refería a los experim entos de Mayer con im anes com o guía. T hom son asum ió que sus vórtices elem entales eran de la m ism a fúerza, lo cual no sólo sim plificaba los cálculos sino que tam bién estaba de acuerdo con su inclinación hacia una teoría m onista de la m ateria. H ay una clara analogía entre su distribución de vórtices de 1883 y su d istribución de

Arquitectura atómica 45

electrones posterior. A unque T hom son, com o la m ayoría de los otros físicos, abandonara la teoría atóm ica de vórtices sobre 1890, la idea le siguió atrayendo. En 1890 en lazó el sistem a periódico de los elem entos con el m odelo atóm ico de vórtices y señaló la sugerente sim ilitud entre una d istribución de vórtices en colum nas y la regularidad que se encontraba entre los elem entos quím icos: «Si im aginam os que las m oléculas [átomos] de todos los elem entos están com puestas del m ism o átom o prim ordial [partícula elem ental], e in terpretam os que un núm ero atóm ico ascendente indica u n in crem ento en el núm ero de estos átom os, entonces, desde este p u n to de vista, según se increm enta continuam ente el núm ero de átom os, ciertas peculiaridades en la estructu ra serán recurrentes» (Kragh 1997b, p. 330). C laram ente, T hom son se inclinaba por concebir el á tom o com o un sistem a com puesto de elem entos prim ordiales años antes del descubrim iento del electrón.

En su artículo de octubre de 1897, T hom son sugirió que los átom os consistían en un gran núm ero de corpúsculos (electrones), que posiblem ente se m an ten ían jun tos por una fuerza central. Apoyándose en el experim ento de Mayer, indicó que la configuración de electrones era u n a estructu ra anular y que tal configuración podría explicar el sistem a periódico. En esta prim era versión del m odelo de T hom son, la im agen del á tom o era sim plem ente u n agregado de electrones y «huecos», así pues, supon iendo fuerzas de C oulom b entre los electrones, no existía fuerza atractiva que im pidiera que el átom o explotara. Dos años después, T hom son presentó una hipótesis m ás definitiva, en la cual form ulaba explícitam ente lo que p ron to pasaría a conocerse com o el m odelo atóm ico de T hom son: «Considero que el átom o contiene u n gran núm ero de cuerpos m ás pequeños, los cuales llam aré corpúsculos [...] En el á tom o norm al, este agregado de corpúsculos form a u n sistem a que es eléctricam ente neutro . A unque los corpúsculos individuales se com portan com o iones [cargas] negativos, aun así, cuan do están agregados en u n átom o neu tral el efecto negativo está com pensado p o r algo que causa que el espacio a través del cual los corpúsculos están repartidos actúe com o si tuviera una carga de electricidad positiva igual en can tidad a la sum a de las cargas negativas en los corpúsculos» (Kragh 1997b, p. 330). T hom son em pezó a desarrollar un m odelo cuantitativo a p a rtir de esta idea sólo en 1903, poco después de que tuv iera conocim iento de un m odelo en cierto m odo sim ilar propuesto p o r Lord Kelvin.

La esencia del m odelo atóm ico clásico de T hom son, según se presentaba en libros y artículos entre 1904 y 1909, era ésta: p o r razones de sim plicidad, T hom son restrin gía su análisis sobre todo a anillos ro tatorios de electrones restringidos a un plano y su jetos a la fúerza elástica debida a una esfera hom ogénea de electricidad positiva. M ediante cálculo directo, exam inaba la estabilidad m ecánica de las configuraciones de equilibrio, rechazando aquellas que no fúeran estables. Los com plicados cálculos de estabilidad de T hom son eran bastante similares a los que había utilizado en su trabajo sobre el átom o-vórtice m ás de veinte años antes. Los com plejos cálculos, los cuales su plían con un m étodo más aproxim ado para un núm ero m ayor de electrones, m ostra ban que los electrones estarían dispuestos en una serie de anillos concéntricos de tal m anera que el núm ero de partículas en un anillo se increm entaría con el radio del ani-


lio. Ejemplos de sus eonfiguraciones de equilibrio de 1904 son 1, 8, 12, 16 para n = 37 y 1, 8, 12, 16, 19 para n = 56. Eos electrones acelerados em itirían energía electrom ag- nética, y T hom son tuvo, p o r lo tanto , que asegurarse de que sus átom os no fueran inestables " ' y se colapsaran. A plicando u n a fórm ula derivada p o r Larm or en1897, pudo m ostrar que la radiación crecía drásticam ente con el núm ero de electrones en los anillos y podía, p o r lo tanto, a todos los efectos, ignorarse. El á tom o original de T hom son era estable m ecánicam ente, adem ás de ser radiativam ente estable.

T hom son se dio cuenta de que su m odelo plano del á tom o debería generalizarse a u n m odelo esférico, pero no veía razón para em barcarse en los cálculos hercúleos que tal extensión requeriría. D espués de todo, el núm ero de electrones en los átom os reales era desconocido, así que una com paración detallada con las propiedades fisicoquí- m icas de los elem entos se podía descartar. El m odelo era sin duda el m odelo atóm ico m ás popu lar en el periodo 1904-1910, cuando m uchos físicos lo consideraban una buena ' de la verdadera constitución de los átom os. En u n a clase en Go-tinga en 1909, M ax Born la alabó diciendo que «es com o un extracto para p iano to- m ado de las grandes sinfonías de los átom os lum inosos». R utherford y Lorentz tam - b ién consideraban que el m odelo era atractivo y lo u tilizaron en sus propios trabajos. Las características atractivas del m odelo estaban particu larm ente relacionadas con su naturaleza m onista, que p rom etían u n a reducción de toda la m ateria a electrones, de acuerdo con el pun to de vista electrom agnético. Además, los cálculos de T hom son do- ta ron al m odelo de una gran au to ridad m atem ática, aunque la m ayoría de los físicos prestaron poca atención a los detalles de las c o n f in a c io n e s electrónicas. En lo tocante a credenciales empíricas, sin em bargo, el m odelo era m enos im presionante. £ra capaz de explicar, de una m anera cualitativa y vaga, fenóm enos com o la radiactividad, fotoelectricidad, dispersión, em isión de luz, efecto Zeem an norm al, y, no m enos im portante, el sistem a periódico. De m anera adicional, p rom etía ilum inar m uchos hechos quí- m icos y era, p o r este m otivo, popu lar entre m uchos quím icos, ?ero en la m ayoría de los casos, las explicaciones eran analogías sugerentes más que deducciones basadas en los detalles del m odelo.

Era evidente desde el princip io que el m odelo de T hom son era problem ático, tan- to conceptual com o em píricam ente. U no de los pun tos débiles era la electricidad positiva, supuestam ente sin fricción ni m asa, y a la postre una m anifestación de los electrones negativos. C om o T hom son escribió a Oliver Lodge en 1904, «siempre he tenido la esperanza (todavía no satisfecha) de ser capaz de arreglárm elas sin e lec tificac ión positiva com o una entidad separada, y reem plazarla p o r alguna propiedad de los cor- púsculos. [...ا U no presiente, yo creo, que la electrificación positiva al final acabará siendo superflua y que será posible ob tener los efectos que ahora le a tribu im os a ella de alguna propiedad de los corpúsculos» (Dahl 1997, p. 324). T hom son nunca consi- guió explicar la electricidad positiva com o un epifenóm eno, ? o r el contrario , a partir de distintas clases de evidencia experim ental, concluyó en 1906 que el núm ero de electrones era com parable al peso atóm ico, una conclusión que se aceptó p ron to en general. D urante unos pocos años posteriores, un cuerpo de creciente de pruebas indicaba


que el núm ero podía ser incluso m enor, posiblem ente correspondiente al núm ero de ordenaciún en el sistem a periódico. Esta conclusión era m olesta, ya que entonces la esfera positiva debería responder de la m ayor parte de la m asa del átom o, lo cual con- tradecía la concepción electrom agnética de la masa. (La inercia electrom agnética varía inversam ente con el radio de la carga y, p o r tanto , debería ser despreciable para un cuerpo de dim ensiones atóm icas.) N o es sorprendente que Lodge llam ara a la estim a- ción de Thom son sobre el núm ero de electrones «el m ás serio golpe prop inado po r ahora a la teoría eléctrica de la materia».

El pequeño núm ero de electrones resultaba u n problem a no sólo para ظ visión ' de la m ateria, sino tam bién, y en particular, para la credibilidad del

m odelo de T hom son. En 904ل T hom son no necesitaba u n a com paración exacta entre sus átom os m odelo y los que realm ente existían, ya que con varios miles de electrones hasta en los átom os m ás ligeros no había m anera en la cual tal com paración pudiera establecerse. A lrededor de 1910, había buenos m otivos para creer que el á tom o de h؛- drógeno contenía sólo un electrón, en á tom o de helio dos, tres o cuatro, etcétera; esto significaba que los cálculos del m odelo de T hom son no se podían confrontar con las propiedades quím icas y físicas de los elem entos reales. En el caso de los elem entos más ligeros, ya no se podía argum entar que el núm ero de electrones era dem asiado grande o que los cálculos trid im ensionales no eran posibles técnicam ente. A unque T hom son continuó com o si el problem a no existiera, estaba claro que la deseada correspondencia entre el m odelo y la realidad sim plem ente no existía.

Había otros problem as de una naturaleza m ás em pírica. En particular, el m odelo de T hom son era incapaz de explicar, sin suposiciones artificiales, las conocidas regularidades de los espectros de líneas, com o la ley de Balmer. En efecto, la m ayoría de los espectros parecían p lan tear problem as, ya que de acuerdo a T hom son, ظ luz se em itía p or las vibraciones de los electrones y esto requería que el núm ero de electrones fuera del m ism o orden que el núm ero de líneas espectrales observadas. ¿Cómo podían entenderse los miles y miles de líneas halladas en m uchos espectros m etálicos a p a rtir de las vibraciones de cien o m enos electrones?

Nuevos experim entos añadieron problem as al átom o de T hom son. T hom son explicaba la dispersión de las partículas beta asum iendo dispersión m últiple, es decir, que la dispersión observada era el resultado colectivo de m uchas dispersiones individuales en los electrones atóm icos. Sobre esta base, consiguió explicar de m anera bastante satisfactoria los datos experim entales, ?ero la teoría de dispersión de T hom son fallaba cuando se confrontaba con los resultados de los experim entos sobre dispersión alfa, ?o r o tro lado, éstos se explicaban m uy bien m ediante la idea de Rutherford de un nú- cleo atóm ico; p o r esta razón, los experim entos de dispersión alfa se han contem plado trad icionalm ente com o el exam en crucial entre las dos teorías de estructura atóm ica. Sin em bargo, podría llevar a confusión considerar que la caída del átom o de T hom son sim plem ente se debe al resultado de los experim entos sobre dispersión alfa de M anchester. Una teoría no se refirta sólo porque deje de explicar algunos experim entos. La refinación de la teoría atóm ica de T hom son fue u n proceso gradual, du ran te el cual se


acum ularon anom alías y se fue haciendo más y más evidente que el m odelo no se po- día desarrollar hacia un estado s a tis fa c to r io . Sobre 1910, antes de que R utherford propusiera su núcleo atóm ico, el m odelo de T hom son había perdido gas y ya no se consideraba atractivo por la m ayoría de los físicos. U nos pocos, incluyendo Erich Eiaas en

ل9هل y Ludwig FOppl en 1912, con tinuaron investigando el m odelo, pero las investigaciones eran principalm ente m atem áticas y no ten ían relevancia para los átom os reales que estudiaban los experim entales. En un trabajo de 1910, Haas, u n físico austríaco, sugirió relacionar la constante de ? lanck con las dim ensiones de u n átom o de h؛،lró- geno de T hom son. U tilizando algunas suposiciones bastante arbitrarias, obtuvo fór- m uías para la constante de Planck y la de Rydberg en térm inos del tam año del átom o y la m asa y carga del electrón. Su m odelo fue el p rim er in ten to de aplicar la teoría cuántica a la estructu ra de los átom os, pero el enfoque de Eíaas era esencialm ente clá- sico: quería explicar el cuanto de acción en térm inos de ظ teoría atóm ica en vez de explicar la estructu ra del átom o m ediante la teoría cuántica.

En el segundo Congreso de Solvay en 191ق, los físicos asistieron a los ú ltim os colé- tazos del m odelo atóm ico de T hom son. T hom son aplicó u n m odelo convenientcm ente m odificado para explicar tan to la dispersión alfa com o la relación lineal entre la energía de los fotoelectrones y la frecuencia de la luz incidente que los experim entos indicaban. Suponiendo que la densidad de carga de la esfera positiva decrece desde el centro, y haciendo o tras suposiciones ad hoc, consiguió ob tener la ley fotoeléctrica con la constante de Planck expresada en térm inos de la carga y la m asa del electrón. Sin em bargo, todo el procedim iento era tan ad hoc y artificial que les debería haber parecido a sus oyentes lo que era: u n últim o in ten to de salvar un m odelo atóm ico que una vez fue ú til y de evitar las características no clásicas de la teoría cuántica. Pocos, p o r no decir n inguno, de los físicos reunidos en Bruselas quedaron convencidos de que el áto- m o de T hom son m erecía sobrevivir.

Otros modelos atómicos tempranos

A unque el m odelo de T hom son era con m ucho el m odelo atóm ico m ás im portante de la p rim era década del siglo, no era el único. El reconocim iento del electrón com o un constituyente universal de la m ateria estim uló que los físicos propusieran u n a variedad de m odelos, la m ayoría de corta vida y algunos m eras especulaciones. F u e sobre todo en G ran Bretaña donde estos m odelos atóm icos tuv ieron su origen y fueron debatidos. En Europa y en A m érica del N orte, el interés p o r la estructu ra atóm ica era li- m itado. La inclusión de los electrones era com ún a todos los m odelos; lo que los d؛s- tingu ía eran las propuestas de cóm o d istribu ir la necesaria carga positiva. La sugerencia de T hom son de colocar los electrones en una esfera de fluido positivo fue hecha independien tem ente p o r Kelvin en 1901. El m odelo de Kelvin tenía evidente- m ente m ucho en com ún con el de T hom son, pero era m ás cualitativo y no utilizaba el concepto m oderno de electrón. Kelvin prefería llam ar a sus partículas negativas «elec- triones», posiblem ente para distinguirlas de los electrones de T hom son, Lorentz y Lar-


m or. En artículos escritos entre 1902 y 1907, el anciano Kelvin (que m urió en 1907 a los 83 años) aplicó su m odelo a una variedad de fenóm enos, incluyendo la radiactividad, la cual pensaba que era activada p o r un agente externo, quizá ondas etéreas. In- troduciendo fuerzas no coulom bianas en su m odelo, consiguió evitar, para su gran sa- tisfacción, la «totalm ente imposible» conclusión de que la radiactividad era energía alm acenada en los átom os. Las ideas de Kelvin fueron educadam ente ignoradas po r otros físicos británicos.

El m odelo de K elvin-Thom son fue una de las hipótesis sobre estructu ra atóm ica que I,©dge incluyó en su libro de 1906 Electrons. © tro era la idea de que los átom os «consisten en una especie de mezcla entrelazada de electricidad positiva y negativa, in- divisible e inseparable en unidades». Ésta era la im agen del á tom o que Lenard favore- cía, de acuerdo a quien las estructuras básicas era «dinám idos» en rápida rotación, una especie de doblete eléctrico. Lenard desarrolló la idea en varios trabajos entre 1903 y 1913, pero no consiguió a traer el interés de otros físicos. O tra de las hipótesis candidatas de Lodge era que «el grueso del á tom o podría consistir en una m ultitud de electrones positivos y negativos, entrem ezclados, podríam os decir, y sujetos en u n agregado por sus atracciones m utuas» (p. 148). A unque se aceptaba generalm ente que los electrones positivos no existían, en 1901 James Jeans p ropuso sin em bargo esta im agen para explicar el m ecanism o de los espectros de líneas. Con el objeto de evitar la obje- ción de que no existe ningún sistema en equilibrio para un sistem a de partículas cargadas, Jeans sugirió que la ley de C oulom b debería fallar para distancias m uy cortas. Im p erté rrito p o r las m edidas de los experim entales de la carga y m asa del electrón, Jeans consideró un átom o ideal en el cual había un núm ero casi infinito de electrones ' ' ' sin m asa) concentrados en ظ capa exterior del átom o. Los electronespositivos estarían de m anera efectiva, y conveniente, escondidos den tro del átom o. Me- d iante estas suposiciones arbitrarias, y algunas otras, consiguió derivar líneas espectrales sem ejantes a las observadas. U n m odelo bastante sim ilar fue propuesto p o r Lord Rayleigh cinco años después, de nuevo con el solo propósito de calcular frecuencias espectrales. En todos los m odelos atóm icos de 1913, la em isión de luz se suponía el resultado de electrones vibrantes. Es interesante no ta r que Rayleigh, al final de su ar- tículo, consideró la posibilidad de que «las frecuencias observadas en el espectro p odrían no ser en absoluto frecuencias de pertu rbación o de oscilaciones en el sentido habitual, sino m ás b ien fo rm ar u n a parte esencial de la constitución original del áto- m o según sería de te rm inada p o r condiciones de estabilidad» (C onn y T urner 1965, p. 125). Sin em bargo, no desarrolló la sugerencia, la cual form aría m ás tarde una parte crucial del átom o cuántico de Bohr.

O tro tipo de m odelos atóm icos m encionados p o r Eodge era la im agen del átom o com o u n a especie de sistem a solar, con los electrones o rb itando («com o asteroides») alrededor de u n centro de electricidad positiva concentrada. La p rim era sugerencia de este tipo fue anunciada p o r el quím ico y físico francés Jean Perrln en u n popu lar ar- tículo de 1901. Perrin sugirió que el m odelo podría explicar la radiactividad y em isión de luz, pero la sugerencia era puram ente cualitativa y no prestó atención al problem a


de la estabilidad de su átom o planetario. La analogía m icro-m acro entre átom os y sistem as solares o galá€ticos era popu lar p o r aquel entonces y parece haber sido u n a de las principales razones po r las que los m odelos atóm icos planetarios recibieron alguna atención. £l in ten to más elaborado fue el de H antaro Nagaoka, cuyo m odelo «saturní- no» fue publicado en 1904, en el m ism o volum en de Philosophical M agazine en el que apareció la teoría de T hom son. El m odelo de Nagaoka tenía inspiración astronóm ica, en el sentido de que se apoyaba fuertem ente en el análisis de Maxwell de 1856 sobre la estabilidad de los anillos de Saturno. El físico japonés suponía que los electrones estaban colocados un iform em ente sobre anillos que se m ovían alrededor del centro atrae- tivo de u n núcleo positivo. C om o T hom son y todos los o tros constructores de m odelos, Nagaoka protegió sus conclusiones añadiendo que «la disposición real en un átom o quím ico puede presentar com plejidades que están m ucho más allá del alcance del tra tam ien to m atem ático» (C onn y T urner 1965, p. 113). Los cálculos de Nagaoka conducían a sugerentes fórm ulas espectrales y a u n a explicación cualitativa de la radiactividad. Sin em bargo, fueron severam ente criticados p o r George A. Schott, u n fí$i- co británico, que argum entó que las suposiciones de Nagaoka eran inconsistentes y que el m odelo no podía conducir al acuerdo con los datos x p e rim en ta le s que se afirm aba. El m odelo sa tu rn ino desapareció del panoram a y sólo reapareció, en una form a total- m ente distinta, con la teoría nuclear de Rutherford.

En 1911 fohn w . Nichofson, un físico-m atem ático del laboratorio Cavendish, sugí- rió u n m odelo atóm ico algo sim ilar al de Nagaoka. El am bicioso objetivo de Nichol- son era derivar todos los pesos atóm icos de los elem entos quím icos a p a rtir de com - binaciones de pro to -átom os, los cuales, suponía, existían solam ente en las estrellas. Consideraba que la carga positiva era de origen electrom agnético, po r lo tanto , m ucho, m ás pequeña que el electrón, y que estaba situada en el centro del átom o. Los electrones ro taban en esferas alrededor del núcleo (com o él llam aba a la carga central). Al contrario de la m ayoría de los dem ás constructores de m odelos, N icholson intentaba dar cuenta de la estructura de los átom os reales, si bien u tilizando hipotéticos proto- átom os. Así, en su esquem a, el h idrógeno contenía u n anillo de tres electrones, con el p ro to -á tom o m ás sencillo, que era el sistem a de dos electrones, que él llam aba «coro- nio». M ediante varias suposiciones, conseguía explicar los pesos atóm icos de la mayo- ría de los elem entos. C om o Elaas antes que él, N icholson in trodu jo conceptos de la teo- ría cuántica de Planck para explicar los espectros de líneas. Acabó llegando a una explicación atóm ica de la constante de Planck y a la conclusión de que el m om ento an- guiar de los p ro to -á tom os debía ser un m últip lo de esta constante. Es decir, llegó a la regla de cuantización I = nh/2n. Esto puede parecer m uy sim ilar al razonam iento de B ohr de dos años después, pero el m odelo de N icholson no era realm ente u n a teoría cuántica del átom o. Se fundaba en la m ecánica clásica y el electrom agnetism o y estaba m ucho m ás cercano al enfoque de T hom son que al de Bohr. N icholson con tinuó desarrollando su teoría en artículos entre 1911 y 1914 y recibió cierta respuesta positiva de otros físicos británicos. Sin em bargo, sobre 1915 era evidente que el m odelo de Ni- cholson pertenecía al pasado y no al futuro.


El átomo nuclear de Rutherford

D urante sus fértiles años en M ontreal de 1898 a 1907, Ernest R utherford no estaba particu larm ente interesado en m odelos atóm icos. En la m edida en la que expresaba in- terés, estaba generalm ente a favor de la teoría de T hom son, la cual encontraba útil para en tender fenóm enos radiactivos. Fue sólo en 1910 cuando R utherford se volcó seria- m ente en la teoría atóm ica, principalm ente com o resultado de su p ro fundo interés en el com portam ien to y la naturaleza de las partículas alfa. En 1908 había m ostrado de m anera precisa que la partícu la alfa era idéntica a un ión de helio doblem ente cargado. El m ism o año, Fians Geiger, u n físico alem án que trabajaba con R utherford en M anchester, anunció resultados prelim inares sobre la dispersión de partículas alfa po r lám inas metálicas. Geiger n o tó una dispersión apreciadle; el año siguiente investigó el asunto con m ás detalle en una colaboración con Ernest M arsden, entonces u n estudi ante de carrera de veinte años. E ncontraron que los m etales pesados eran m ucho más efectivos com o reflectores que los ligeros y que u n a lám ina de alum inio delgada reflejaba (esto es, dispersaba, m ás de 90°) una de cada 8.000 partículas alfa que chocaban contra ella. C uando R utherford supo de estos resultados, se dice que lo consideró «el suceso más increíble que m e ha ocurrido en m i vida [...] casi tan increíble com o si dis- pararas u n proyectil de 40 centím etros a una hoja de papel y se volviera para im pactar contigo». R utherford hizo esta observación frecuentem ente citada en 1936, pero no pudo haber sido su m anera de reaccionar en 1909-1910. El com entario tiene sentido desde la perspectiva de u n núcleo atóm ico casi vacío, pero R utherford no tenía esta idea en 1909, cuando todavía consideraba al átom o com o algo lleno, al estilo de T hom - son. En cualquier caso, los experim entos indujeron a R utherford a investigar la disper- sión de las partículas alfa y com parar los resultados con la teoría de T hom son sobre la dispersión de las partículas beta. Esta teoría, de acuerdo a la cual los electrones beta se dispersaban m últiples veces en pequeños ángulos debido a los electrones atóm icos, pa- recía concordar b ien con los experim entos que sugerían que el núm ero de electrones era aproxim adam ente tres veces el peso atóm ico.

Según T hom son, la partícu la alfa tenía dim ensiones atóm icas y contenía unos diez electrones. R utherford, p o r o tro lado, creía que la partícula alfa debía considerarse una partícula pun tual, com o el electrón, (]orno la partícu la alfa era un átom o de helio desprovisto de dos electrones, este pu n to de vista im plicaba, de hecho, u n m odelo nuclear del átom o de helio. R utherford alcanzó esta im portan te conclusión antes de desarrollar su teoría de la dispersión, la cual se apoyaba en su idea de partículas alfa pun tua- les. La teoría que R utherford presentó en 1911 tenía su base experim ental en las observaciones de Geiger-M arsden de dispersión hacia ángulos grandes, que Rutherford encontraba incom patibles con la teoría de T hom son de m últiples dispersiones por electrones. Para p roducir las deflexiones observadas de m ás de 90o, la dispersión debía tener lugar en u n único encuentro entre la partícula alfa y u n a m asa altam ente cargada y concentrada. R utherford po r lo tan to sugirió que el átom o consistía en una carga masiva Ze rodeada po r una nube de electricidad opuesta. Ya que los resultados de sus cálculos eran independientes del signo de la carga, el núcleo podría ser perfectam ente


una concentración de electrones inm ersa en un fluido positivo, algo sim ilar a un caso especial del á tom o de T hom son. En palabras de Rutherford: «Considerem os u n átom o que contiene u n a carga ± Ne en su centro rodeado p o r u n a esfera de electrificación que contiene una carga -N e que suponem os uniform em ente d istribu ida sobre una esfera de radio R [...] p o r conveniencia el signo [de la carga central] se supondrá positivo» (C onn y Turner 1965, p. 138). Basándose en su im agen nuclear del átom o, R utherford derivó la fam osa fórm ula de dispersión, que p roporciona la dependencia de la probabilidad de dispersión (sección eficaz) en el ángulo de dispersión, la energía de las par- tículas alfa que incidían, y el grosor y carga del m aterial que dispersaba.

El á tom o nuclear de R utherford se reconoce con justicia com o u n hito en la hísto- ria de la físíca. Sin em bargo, un observador de 1911 ó 1912 jam ás lo habría pensado. C uando el m odelo se in trodu jo en la prim avera de 1911, encontró indiferencia y escasa consideración de que fuera una teoría sobre la constitución del átom o. La nueva concepción del á tom o no se m encionó en las actas del congreso Solvay de 1911 (en el cual R utherford participó) ni fue am pliam ente debatido en las revistas de física. Al pa~ recer, ni siquiera el m ism o R utherford consideraba que el núcleo atóm ico tuviera gran im portancia. Por ejem plo, en su libro de texto sobre radiactividad de 1913, titulado Sustancias radiactivas y sus radiaciones, sólo el 1 p o r 100 de las 700 páginas del libro tra ta del nuevo descubrim iento y sus im plicaciones. El núcleo era pequeño pero, según Rutherford, no puntual. Por el contrario , R utherford lo im aginaba com o u n cuerpo altam ente com plejo m anten ido po r lo que acabarían llam ándose fuerzas nucleares: «Prácticam ente toda la carga y m asa del á tom o están concentradas en el centro, y es- tán probablem ente confinadas en una esfera de radio no m ayor de 10-12 cm . Sin duda el centro positivam ente cargado del á tom o es un com plicado sistem a de m ovim iento, consistente en parte en átom os de helio e hidrógenos cargados. Parecería com o si los átom os de m ateria positivam ente cargados se atrajeran entre sí a distancias m uy cortas ya que de o tro m odo es difícíl ver cóm o las partes constitutivas del centro se m antienen juntas» (p. 620).

Elabía buenas razones para la falta inicial de interés en el núcleo atóm ico, ya que R utherford presentaba su teoría principalm ente com o una de dispersión, y sólo se- cundariam ente com o una atóm ica. C om o teoría de dispersión, tenía u n éxito m oderado, pero su apoyo experim ental era lim itado e indirecto; y com o teoría atóm ica, era incom pleta y podía aparecer incluso ad de m ءرءالم odo irrem ediable. R utherford había argum entado a p a rtir de datos de dispersión que la m asa del átom o estaba concentrada en u n núcleo m inúsculo, pero no podía ofrecer sugerencias sobre cóm o estaban dispuestos los electrones. Por razones de sim plicidad, suponía que la electricidad negativa form aba una atm ósfera hom ogénea alrededor del núcleo, pero dado que los electrones no ten ían im portancia en la dispersión, esta im agen era sim plem ente arbí- traria . «No es necesario considerar la cuestión de la estabilidad del á tom o propuesto €٢، esta etapa», escribió, «ya que esto dependerá obviam ente de la estructura detallada del á tom o, y del m ovim iento de las partes cargadas constituyentes» (C onn y T urner ل96ئ . p. 138). R utherford no sugirió un á tom o planetario en 1911, y su m odelo era por lo


س' © com pletam ente imp©tente en 1© tocante a cuestiones quím icas com© el enlace y a tabla periódica. Tam poco era much© m e؛©r en 1© concerniente a cuestiones físicas, ءك5 com o regularidades espectrales y dispersión. La característica que definía al m©- ه؛ءت de R utherford, el núcleo atóm ico, n i siquiera era nueva, puesto que ya se habían propuesto m©delos nucleares. N icholson, que sugirió independientem ente su propio ت ©del© nuclear, consideraba al de R utherford m eram ente «un resurgim iento de una gerencia de Nagaoka de u^؛ n sistem a atóm ico sa tu rn ino sencillo, involucrando sólo un único núcleo positivo» (H eilbron 1968, p. 303). ?٥٢ cierto, R utherford escribió ©riî- -a im ente sobre una «carga central»; la palabra «núcleo» parece haber sido utilizada prim ero p o r N icholson.

£1 destino del model© atóm ico de Rutherford cam bió en 1913, cuando Geiger y Marsden publicaron nuevos datos sobre la dispersión de partículas alfa, incluyendo un A lie n to to tal de cien mil escim ll؛iclones. Sus ةهءا؛اا estaban en excelente acuerdo con ط fórm ula de dispersión de R utherford y proporcionaban «fuerte evidencia de 1© CO-

'recto de las suposiciones subyacentes de que un átom o contiene u n a carga fuerte en ؛ة centro de dim ensiones, pequeñas c©mparadas con el d iám etro el átom o» (Stehle

1994, p. 221). Aun así, esto era sólo una confirm ación del model© atóm ico de Ruther- ford visto com© una teoría de la dispersión, no de ©tros aspectos del m odelo. Los re- altados de G؛ eiger-M arsden eran tan irrelevantes para las configuraciones electrónicas com o el m odelo de R utherford silencioso para ellas. U na teoría atóm ica era conslde- rada realm ente convincente sólo si incluía el sistem a electrónico. Después de todo, era esta parte del átom o la que era responsable de la g ran m ayoría de los fenóm enos ató- micos que podían ser p robados experim entalm ente. £ste im portan te aspecto, ausente del trabaj© de los físicos de M anchester, fue proporcionado de m anera inesperada por joven físico danés que transform ص ó la im agen de R utherford del á tom o nuclear en una teoría apropiada del átom o nuclear.

Una teoría cuántica de la estructura atómica

Nlels Bohr no estaba interesado en la teoría atóm ica al principio; escribió su tesis doctoral sobre la teoría electrónica de los m etales y encontró que esta teoría, según estaba desarrollada p o r Lorentz, 1. ]. T hom son y otros, era insatisfactoria tan to en sus detalles com o en sus principios. «La causa del fallo es m uy probablem ente ésta: que la teoría electrom agnética no está de acuerdo con las condiciones reales en ظ m ateria», « c rib ió en su tesis de 1911, publicada sólo en danés. Bohr sugirió que se debían in- traducir restricciones no mecánicas, o lo que él denom inaba «fuerzas en la naturaleza de un tipo com pletam ente d istin to de la clase m ecánica usual», para hacer que la teo- na electrónica de los m etales estuviera de acuerdo con la naturaleza in terna de los áto- mos. Pero en 1911 no consideró ظ estructu ra atóm ica y no tenía una idea clara del tipo de restricción o hipótesis que se necesitaba. Pasó el año académ ico 1911-1912 en In- ؛ laterra, p rim ero con I. I. T hom son en C am bridge y luego con R utherford en M anchester, al principio con tinuando sus estudios de la teoría electrónica de los metales


pero p ron to concentrándose en la nueva im agen del á tom o que R utherford había propuesto y que Bohr encontró altam ente atractiva. Se dio cuenta de que el á tom o nuclear necesitaba com pletarse con una estructu ra electrónica y que esto requeriría alguna hi- pótesis no m ecánica para hacer al á tom o estable. £1 pensam iento de B ohr tuvo como resultado el «m em orando de M anchester», u n docum ento del verano de 1912 en el cual com unicó sus ideas a R utherford. En este m em orando, Bohr sugirió que el átom o se estabilizaría m ecánicam ente si la energía cinética de los electrones orbitales estuviera confinada a ser proporcional a sus frecuencias de rotación. C om o constante de pro-

' escogió u n a cantidad cercana a la constante de Planck. En esta etapa,Bohr estaba preocupado p o r la estabilidad m ecánica, no p o r la electrodinám ica.

En el m em orando de M anchester, Bohr se ocupó de configuraciones electrónicas, moléculas y volúm enes atóm icos, pero no de espectros. «No m e ocupo en absoluto de la cuestión del cálculo de las frecuencias correspondientes a las líneas en el espectro visible», escribió a R utherford el 31 de enero de 3 ا9ل , con trastando su teoría con la de N icholson (B ohr 1963, p. xxxvii). Poco después, u n colega en C openhague le pregun- tó cóm o se relacionaban sus ideas con la fórm ula de Balmer para las líneas del hidró- geno, con la cual Bohr, de m anera bastante sorprendente, no parecía fam iliarizado, o de la cual quizá se había o lv id ad o ا؛.آ. pregunta fue reveladora y Bohr inm ediatam ente se dio cuenta de cóm o sus ideas podían ser extendidas para proporc ionar una explica- ción de los espectros discretos. Su gran artículo «O n the C onstitu tion o f Atoms and Molecules» apareció en tres partes en la Philosophical M agazine en el verano y otoño de 1913. El á tom o de h idrógeno era el objeto de la p rim era parte, donde in trodu jo sus famosos postulados, que son: ( l ) l a noción de estados estacionarios, donde la m ecáni- ca ord inaria es válida pero la electrodinám ica es inválida y (2) la suposición de que la radiación se em ite o absorbe cuando el á tom o pasa de un estado estacionario a otro. El proceso de transición no se podía en tender de m anera clásica, señaló Bohr, «pero parece ser necesario para dar cuenta de los hechos eê rim en ta les» .

N otablem ente, e inspirado por la teoría de Planck, Bohr supuso que la frecuencia de la luz (v) no estaba relacionada d irectam ente con las frecuencias de los electrones orbitales, sino que estaba dada p o r la diferencia de energías entre dos estados estacionarios por la ecuación رج - E.= hv. A p a rtir de esta suposición básica, Bohr consiguió derivar la fórm ula de Balm er para las frecuencias del espectro del hidrógeno de una m anera b ien conocida gracias a los libros de texto básicos de física. La derivación no reproducía m eram ente una ley em pírica conocida, sino que tam bién proporcionaba una expresión de la constante de Rydberg en térm inos de constantes microfísicas de la naturaleza, en concreto, la carga y m asa del electrón y la constante de Planck. El resultado de Bohr fúe ا ' = R c (l/n 2 - 1/m2), siendo R = 2Z2n 2me4/h 3y n y m son núm eros cuánticos enteros que caracterizan los estados estacionarios; z es la carga nuclear, 1 para el hidrógeno. En el verano de 1913, las líneas que estaban de acuerdo con la fór- m uía se conocían com o n = 2 (serie de Balmer) y ٢١ = 3 (serie de Paschen); Bohr predijo la existencia de líneas adicionales correspondientes a n - l y n m ayor que 4, «series respectivam ente en el ultravioleta extrem o y el u ltra-ro jo extrem o que no se han


observado, pero cuya existencia puede esperarse». Esta seguridad se vio justificada cuando l'h eo d o re Lyman anunció en 1914 líneas de acuerdo con n = l . E l potencial de ionización de un átom o de h idrógeno en su estado base (n = 1) se seguía directam ente de la expresión de Balmer. Bohr obtuvo u n valor de unos 13 voltios, lo cual com pa- ró con la estim ación experim ental de 1. ]. T hom son de 11 voltios. (M edidas posteriores y m ás precisas estuvieron en com pleto acuerdo con el valor de Bohr.) Para el radio de u n á tom o de hidrógeno en su estado base, lo que se conocería m ás tarde com o el radio de Bohr, obtuvo 0,55 ángstrom , el o rden de m agn itud correcto para u n átom o.

Q uizá la confirm ación más im presionante de la teoría de Bohr para los átom os con u n electrón fue su dem ostración de que las «líneas de Eickering» que se encontraban en espectros estelares y generalm ente se a tribu ían al h idrógeno, en realidad se debían a átom os de helio con u n a sola carga. Estas líneas satisfacían la expresión de tipo Bal- m ery = R [1/22 — l/(m + l /2 )2] ,la cual, si firera debida al hidrógeno, contrad iría la teo- ría de Bohr, de acuerdo a la cual el estado sem icuántico era inadm isible. Bohr convir- tió esta am enaza en u n triunfo sim plem ente rescribiendo la expresión com o V = 4 1 / 4 2 آثم[ — l/(2 m + l)2] y atribuyéndosela al ión He*. Su predicción de que las líneas de Pickering deberían aparecer en tubos de descarga con helio puro fue confirm ada rápi- dam ente p o r los espectroscopistas. Sin em bargo, el acuerdo entre las longitudes de onda m edidas y las que Bohr predecía no era perfecto y según Alfred Fowler, u n espectroscopista británico, la pequeña discrepancia era lo bastante grande para cuestionar la validez de la teoría. La respuesta de Bohr, publicada en Nature en el o toño de 1913, fue o tro ejem plo brillante de lo que el filósofo ا[٦٦ re Lakatos ha denom inado ajuste m onstruoso: convertir un contraejem plo en un ejemplo. Bohr señaló que la cantidad m en la expresión para R en realidad debería ser la m asa reducida, m M /(m + M ), donde M es la m asa nuclear, y con esta corrección la discrepancia desaparecía.

Bohr derivó la fórm ula de Balmer de distintas m aneras, incluyendo una prim era aplicación de lo que más tarde se conocería com o el principio de correspondencia. Bohr observó que, para núm eros cuánticos grandes, casi no existía diferencia entre la frecuencia de rotación antes y después de la em isión de un cuanto; «y de acuerdo a la elec- trodinám ica ordinaria, deberíam os p o r tan to esperar que la razón entre la frecuencia de la radiación y la frecuencia de revolución tam bién sea casi igual a 1» (Bohr 963 ل, p. 13). En una ponencia ante la Physical Societ)' en C openhague en diciem bre de 1913, Bohr enfatizó que aunque en general no existía conexión entre las frecuencias clásicas de re- volución y las frecuencias que se encontraban utilizando la teoría cuántica, «en un caso, sin em bargo, podem os esperar una conexión con los conceptos ordinarios, en concre- to, que será posible calcular la em isión de oscilaciones electrom agnéticas lentas basán- donos en la electrodinám ica clásica» (Jam m er 1966, p. 110). Éste fue el germ en del principio de correspondencia, que tendría un papel crucial en el desarrollo posterior de la teoría atóm ica y su transform ación en m ecánica cuántica (véase capítulo 11).

La teoría de Bohr no era sim plem ente la teoría de los átom os con un electrón, sino que estaba planeada con m ucha m ás am bición. En la segunda y tercera parte de la tri- logia, Bohr aplicó su teoría a átom os quím icos m ayores que el hidrógeno, y tam bién a


moléculas: sugirió disposiciones de electrones para los elem entos m ás ligeros y creyó que sus m odelos p roporcionaban al sistem a periódico su prim era explicación fiable. Además, extendió su trabajo a m oléculas simples, concibiendo el enlace covalente en la m olécula de h idrógeno com o dos electrones dando vueltas en la m ism a órb ita entre los dos núcleos de hidrógeno. Esta parte de su trabajo tuvo m ucho m enos éxito y su impacto fue relativam ente pequeño. Sin em bargo es digno de m ención, ya que era la pri- m era vez que se propon ían m odelos atóm icos claros para átom os reales. El enlace CO- valente resultó quedar fuera del alcance de la teoría cuántica de Bohr para los átom os, pero en 1913 él no tenía razones para sospecharlo. Por el contrario , existían indicacio- nes de que la quím ica p ron to quedaría reducida a una ram a de la nueva física de Bohr. Por ejem plo, Bohr calculó el calor de form ación del hidrógeno m olecular com o 60 kcal po r m ol, en acuerdo cualitativo pero desde luego no cuantitativo con las 130 kcal por m ol determ inadas experim entalm ente p o r Irving Langmuir. C uando Langm uir volvió a estim ar el valor experim ental obten iendo 76 kcal po r m ol poco después, y B ohr re- calculó el valor teórico obteniendo 63 kcal p o r m ol, parecía que la m olécula de hidró- geno estaba prácticam ente explicada. Pero estaba lejos de ser cierto.

La ftrerza de la teoría de Bohr no era su base teórica, que para m uchos parecía poco convincente e incluso extravagante, sino su confirm ación experim ental en una amplia gam a de fenóm enos. Por ejem plo, en 1913-1914 el joven físico britán ico H enri Mose- ley estudió los rayos X característicos em itidos p o r distintos elem entos y m ostró que ظ raíz cuadrada de las frecuencias era proporcional al núm ero atóm ico. El diagram a de Moseley se convirtió rápidam ente en una im portan te herram ien ta para determ inar el lugar de u n elem ento en la tabla periódica, y tam bién se convirtió en u n a im portan te confirm ación de la teoría de Bohr. El m ecanism o de M oseley para la em isión de rayos X se apoyaba en la teoría de Bohr y, adem ás, en una serie de trabajos desarrollados a p artir de 1914 en M únich, W alther Kossel explicó los espectros de rayos X en com ple- to acuerdo con la teoría. O tra im portan te confirm ación fueron los experim entos con bom bardeo de electrones de vapor de m ercurio que James Franck y Gustav H ertz realizaron en G otinga entre 1913 y 1916. En 1925, los dos físicos fúeron galardonados con el prem io N obel po r haber verificado las hipótesis de Bohr y haberlas por lo tanto transform ado en «hechos experim entalm ente probados», com o Cari Oseen expresó en su discurso de presentación en Estocolmo. Irónicam ente, Eranck y H ertz no relacionaron al p rincip io sus experim entos con ط teoría de Bohr y, cuando lo hicieron p o r pri- m era vez, argum entaron que sus m edidas no podían explicarse por la teoría. Franck y H ertz m idieron lo que ellos creían que era el potencial de ionización, obten iendo 4,9 voltios, pero en 1915 Bohr argum entó que habían m alin terpretado sus resultados y que no habían m edido un potencial de ionización en absoluto, sino la diferencia de ener- gía entre estados estacionarios en los átom os de m ercurio. Fue sólo tras la intervención de Bohr cuando Franck y H ertz se dieron cuenta de que inadvertidam ente habían proporcionado u n fuerte“ apoyo a la teoría atóm ica de Bohr.

La línea roja del espectro de hidrógeno tiene una estructu ra de doblete, com o m ostra ron p o r prim era vez M ichelson y Ed^’ard M orley nada m enos que en 1887. A unque


en 1913 la separación de estructura fina se había m edido varias veces, Bohr parece que no había tenido conocim iento de este fenóm eno, para el cual no había sitio en su teo ría. Pero de nuevo una aparente anom alía se convirtió en una confirm ación, aunque esta vez requirió una extensión considerable de la teoría. La extensión fue realizada por A rnold Som m erfeld en M únich quien, en 1915-1916 in trodu jo la teoría especial de la relatividad en la m ecánica del á tom o de Bohr. De esta m anera, llegó a u n átom o con dos cuantos en el que las órbitas electrónicas se describían con núm eros cuánticos principales y azim utales, y u n a expresión para la energía que dependía de los dos n ú m eros cuánticos. De acuerdo con la teoría m ás sofisticada de Som m erfeld, existían m uchos m ás estados estacionarios que en la teoría de Bohr de 1913, y esto hacía posible una explicación de la estructu ra fina. Som m erfeld derivó un valor para la separación de estructura fina, que fúe com pletam ente confirm ado m ediante experim entos realizados p o r Friedrich Paschen de la U niversidad de Tubinga en 1916. El notable acuerdo entre teoría y experim entación se consideró un gran éxito de la teoría de B ohr-Som m erfeld y tam bién de la teoría de la relatividad. De hecho, la relación entre teoría y experim entación era bastante oscura porque la teoría perm itía el cálculo de frecuencias pero no de intensidades; sin em bargo, aunque el éxito fuera cuestionado p or unos pocos físicos en A lem ania, para la m ayoría el trabajo de Som m erfeld y Paschen resultaba una asom brosa confirm ación de la teoría cuántica de los átom os de Bohr. ١

C A P ÍTU LO 5

La lenta ascensión de la teoría cuántica

La ley de la radiación de los cuerpos negros

La teoría cuántica debe su origen al estudio de la radiación térm ica, en particu lar de radiación del «cuerpo negro» que Robert K irchhoff había definido por prim era vez ez 1859-1860. De acuerdo con Kirchhoff, un cuerpo negro perfecto es aquel que absorbe toda la radiación que incide sobre él; la energía em itida será independien te de la naturaleza del cuerpo y dependiente sólo de su tem peratura. El físico austríaco Josef Stefan sugirió en 1879 que la energía de la radiación calorífica ideal de K irchhoff variaba según la cuarta potencia de la tem pera tu ra absoluta. Su sugerencia obtuvo una prueba teórica cinco años después cuando su com patrio ta Ludwig B oltzm ann com binó la segunda ley de la te rm odinám ica con la electrodinám ica de Maxwell para m ostra r que w = o T 4, siendo u la densidad total de energía y a una constante. La prim era de varias leyes de la radiación del cuerpo negro, la ley de Stefan-Boltzm ann, ayudó a dirigir l¿ atención hacia la nueva área de la física teórica y experim ental. La d istribución espectral de la radiación, una cuestión acerca de la cual la ley de Stefan-Boltzm ann no ten u nada que decir, p ron to em ergió com o u n problem a im portan te y am pliam ente debatido. U n im portan te paso hacia la solución del problem a se dio por parte de Wilhelm W ien, quien m ostró en 1894 que si la d istribución espectral de la radiación del cuerpo negro era conocida para una tem peratura, podría ser deducida para cualquier otra. La función de d istribución u (\,T ) no dependería de T y de la longitud de onda X po r separado, sino del p roducto XT m ediante cierta función d>(XT), en concreto m ediante w(X, T) = X-5 (٠)(XT). La ley de desplazam iento de W ien -a s í denom inada porque im plica que el pico de la función m(X,T) será desplazado hacia longitudes de onda más pequeñas cuando T au m en te - resultó estar en excelente acuerdo con los experim entos. Se reconoció que la función ٢١) (XT) tenía un significado universal, pero ni la form a de la función ni su explicación eran conocidas. En 1896 W ien encontró u n a posible solución, concretam ente, que 4>(XT) tuviera la form a exp(-a/(X T ), siendo a una constante

La lenta ascensión de la teoría cuántica 59

universal. La ley de radiación de W ien parecía ser correcta y se aceptó en general, sobre todo tras recibir confirm ación m ediante una serie de delicados experim entos realizados en Berlín entre 1897 y 1899. A unque la ley de W ien parecía em píricam ente convincente, se apoyaba sin em bargo sobre argum entos teóricos de naturaleza insatisfactoria, y po r este m otivo se buscaba u n a derivación m ás rigurosa. Aquí es donde Max Ludwig Planck, el sucesor de K irchhoff com o profesor de física en la universidad de Berlín en tró en escena.

Planck era u n especialista en term odinám ica y estaba pro fundam ente interesado en la segunda ley y sus aplicaciones en física y quím ica. Su principal ocupación a princ ipios de la década de 1890 no era la física teórica, sino más bien la term odinám ica qu ímica, a la cual in ten tó do ta r de unos cim ientos m ás rigurosos basados en la segunda ley. En este trabajo, los conceptos de en trop ía e irreversibilidad eran centrales. El n ú cleo del p rogram a de investigación de Planck era u n in ten to de explicar los procesos irreversibles sobre una base estrictam ente term odinám ica, es decir, sin in troduc ir n in guna suposición estadística o atom ística a la m anera de Boltzm ann. Al contrario de su colega austríaco de m ayor edad, Planck creía firm em ente en la validez absoluta de la segunda ley y negaba que pudiera existir relación alguna entre en trop ía y probabilidad. En 1895 el razonam iento de Planck le llevó a exam inar la relación entre te rm od inám ica y electrodinám ica. Atacó la cuestión de la irreversibilidad desde un pu n to de vista electrodinám ico y argum entó que la irreversibilidad de los procesos de radiación era un resultado de la falta de sim etría tem poral en las ecuaciones de Maxwell. Sin em bargo, el enfoque term odinám ico resultó no tener éxito. C om o Boltzm ann m ostró dos años después, la electrodinám ica no es m ás asim étrica tem poralm ente - n o p roporciona una «flecha tem pora l» - que la m ecánica, así que Planck tuvo que buscar o tra m anera de determ inar el espectro de la radiación del cuerpo negro. El resultado de los renovados intentos de Planck fue una serie de seis artículos sobre procesos de radiación irreversibles publicados en Annalen der Physik en tre 1897 y 1900. En 1899 encontró una expresión para la en trop ía de un oscilador m ediante la cual pudo derivar la ley de radiación de W ien. Esto era lo que Planck esperaba y, si no hubiera sido po r los experim entales, lo habría dejado aquí. En el m ism o año en que Planck derivó la ley de W ien, los experim entos dem ostraron que la ley no era com pletam ente correcta, al contrario de lo que Planck y la m ayoría de los otros físicos habían supuesto.

En la historia de la radiación del cuerpo negro, y p o r lo tan to en el nacim iento de la teoría cuántica, los experim entos no eran m enos im portan tes que la teoría. La m ayoría de los experim entos decisivos se realizaron en el Physikalisch-Technische Reich- sanstalt (Institu to Im perial de Física y Tecnología) de Berlín, donde el espectro preciso de la radiación del cuerpo negro era un asunto de interés m ucho m ás que académico. Se pensaba que conduciría a un conocim iento que sería útil a las industrias alem anas de electricidad y calefacción, que estaban entre los mayores clientes del Reichsanstalt. Experim entos realizados p o r O tto Lum m er y E rnst Pringsheim en 1899 indicaban que la ley de W ien era incorrecta para altas longitudes de onda. E xperim entos adicionales de H einrich Rubens y Ferdinand Kurlbaum , publicados en el o toño de


Gráfico 5.1. Espectros de cuerpo negro a diferentes tem peraturas medidos por Lummer y Pringstein en noviembre de 1899. Para los valores altos de \T , la curva medida (línea continua) está sobre la curva calculada (curva discontinua), indicando la inadecuación de la ley de radiación de Wien. Fuente: Kan- gro 1976, p. 176.

1900, p roporc ionaron una p rueba clara de que la «ley de W ien-Planck» era sólo ap ro xim adam ente cierta (véase figura 5.1). De acuerdo a esta ley, la densidad de energía de la radiación u(v,T) tendería hacia cero para valores m uy pequeños de v /T = c/XT, m ientras que los experim entos de Rubens y K urlbaum m ostraban que u(v,T) tendía hacia T. C om o consecuencia de estas nuevas m edidas, se propusieron varias nuevas le

La lenta ascen$؛ón de la teoría cuántica 61

ves em píricas, pero éstas no ten ían im portancia para los teóricos. El interés principal de Planck no era encon trar u n a ley em píricam ente correcta, sino derivarla de prim e- ros principios. Se veía ahora forzado a reconsiderar su trabajo. Algo estaba m al en su derivación de la ley de W ien, pero ¿el qué? ¿Cóm o podía constru ir a partir de principios fundam entales de ط física una ley de distribución que satisficiera la expresión de W ien para valores grandes de W T pero tendiese a T p a ra valores pequeños? Las recon- sideraciones de Planck le llevaron rápidam ente a suponer una nueva expresión para la entropía de un oscilador, si bien una que no tenía justificación teórica clara. Sobre esta expresión se ha com entado, con justicia, «nunca en la h istoria de la físíca ha habido una in terpolación m atem ática no evidente con consecuencias físicas y filosóficas de tan gran alcance» (Jam m er 1966, p. 18).

C on su nueva expresión para la entropía, Planck pudo derivar lo que él consideraba sim plem ente una versión m ejorada de la le)' de W ien. La nueva le)' de d istribución - la ley de radiación de Planck, pero todavía sin noción de cuantos de energ ía- se ؛١٨٧٨ - ció en u n encuentro de la Academ ia de Ciencias de Berlín el 19 de octubre de 1900. De acuerdo a esta p rim era versión correcta de ط ley de la radiación del cuerpo negro, la densidad de energía espectral varía com o م d ividido po r la cantidad e x p (p w r) - 1. La le)' parecía estar en com pleto acuerdo con los datos experim entales y era, en este sentido, la respuesta que se había buscado duran te tan to tiem po. Sin em bargo, ya que la nueva ley se apoyaba en u n a expresión para la en trop ía que era poco m ás que una su- posición inspirada, no era satisfactoria teóricam ente y p o r lo tan to Planck se vio obligado, de nuevo, a considerar p o r qué la fórm ula d isfru taba de tan to éxito. No podía descansar satisfecho hasta que com prendiese la nueva ley.

En su in ten to de ob tener una com prensión satisfactoria, Planck se dio cuenta de que tenía que in troducir un nuevo enfoque, en concreto, volver a la idea de Boltzm ann de en trop ía com o expresión de caos m olecular. Esto no significa que Planck se rindie- ra a las nociones de en trop ía e írreversíbílidad probabílístícas de Boltzm ann. En vez de aceptar estas ideas, Planck reín terpretó la teoría de Boltzm ann a su m anera no proba- bilísta. Basó su nueva línea de ataque en la famosa «ecuación de Boltzmann», 5 = ,log w ؛/ donde k es la constante de B oltzm ann y W es una expresión com binatoria para el de- sorden m olecular. En realidad, la ecuación no era de Boltzm ann, sino que apareció en esta form a sólo con el trabajo de Planck; y tam bién fue Planck quien in trodu jo por pri- m era vez la «constante de Boltzm ann» com o una im portan te constante de la naturaleza. Para encon trar بما Planck in trodu jo lo que denom inó «elem entos de energía», es decir, la suposición de que la energía total de los osciladores del cuerpo negro (E) se dividía en porciones finitas de energía e En palabras de Planck: «Considero E [...] com - puesto de un núm ero com pletam ente determ inado de partes iguales finitas, y para este propósito utilizo la constante de la naturaleza h = 6,55 X 10~27 (erg seg). Esta constante, una vez se m ultiplica po r la frecuencia com ún de los resonadores, p roporciona el elem ento de energía £ en ergios, y m ediante división de E p o r ء obtenem os el núm ero de elem entos de energía p que ha de ser distribuido entre los N resonadores» (D arrigol 1992, p. 68). La nueva derivación se com unicó en otro encuentro de la Academia


de Berlín, el 14 de diciem bre de 1900, una fecha señalada m uchas veces com o ط del nacim iento de la teoría cuántica porque fue aquí cuando, según se ve en retrospectiva, se sugirió p o r prim era vez la hipótesis cuántica. Sin em bargo, Planck no entendía real- m ente la in troducción de elem entos de energía com o u n a cuantización de la energía, es decir, que la energía de los osciladores pudiera tener sólo valores discretos. Planck no enfatizó la d iscontinu idad cuántica en absoluto y consideraba e = hv com o una hi- pótesis m atem ática ؛ in realidad física detrás. Era, creía, u n aspecto tem poral de la teo- ría que debería ser bo rrado de la form ulación final.

De esta m anera describía Planck la ru ta que le había conducido a la ley de radia- ción en u n a carta de ا9أت al fisico am ericano Iôbert W ood:

En resum en, to d o ه1 que sucedió puede describirse c©m© sim plem ente u n acto de

desesperación [...] Para entonces llevaba seis añ o s^d esd e 1894) luchando sin éxito con

el p rob lem a del equilibrio en tre rad iación y m ateria y sabía que este p rob lem a era de im-

po rtanc ia fundam enta، p ara la física. Tam bién conocía la fó rm ula que expresa la d is tr؛-

bución de energía en espectros norm ales. Se debía en co n tra r p o r lo tan to u n a in terpre-

tación teórica a cualquier coste [...] [El nuevo] enfoque se m e presen tó m ed ian te el

m an ten im ien to de las leyes de la te rm od inám ica [...] que deben, eso m e parece a m؛,

m antenerse en todas las circunstancias. Para lo dem ás, estaba d ispuesto a sacrificar cada

una de m is convicciones previas sobre las leyes físicas. B oltzm ann hab ía explicado cóm o

el equilibrio te rm odinám ico se establece m edian te u n equilibrio estadístico, y tal enfo-

que se aplica al equilibrio en tre m ateria y radiación , u n o encuen tra que la pérd ida con-

tin u a de energía en rad iación se puede im ped ir asum iendo que la energía está forzada,

desde el p rincip io , a perm anecer ju n ta en determ inados cuantos. Esta era u n a suposi-

ción p u ram en te form al y realm ente no reflexioné m ucho sobre ella excepto que, a cual-

qu ier coste, debía p ropo rc ionar un resu ltado positivo. (E íerm ann 1971, p. 23)

Para Planck y sus contem poráneos, la d iscontinu idad cuántica al princip io era considerada una característica que no m erecía seria atención. Lo que im portaba era más bien la im presionante precisión de ظ nueva ley de radiación, confirm ada p o r m uchos experim entos posteriores, y el hecho de que incluía la ley de Stefan-Boltm ann, la le}' de desplazam iento de W ien y, en el lím ite de valores v u /T grandes, la ley de radiación de W ien. Planck enfatizó las constantes de la naturaleza involucradas en su ley y la utilizó para derivar valores para k, N (el núm ero de Avogadro) y e (la carga elem ental). A partir de las m edidas del cuerpo negro pudo encon trar k, y com o k = R /N , donde R es la constante de los gases, N se pudo derivar; adem ás, d e e = F/N, donde F es la constante de Faraday, conocida a p a rtir de la electrólisis, pudo hallar e. Las determ inaciones nu- m éricas de Planck eran m uy superiores a las estim aciones bastante crudas que se ob- tenían m ediante otros m étodos p o r aquel entonces.

En diciem bre de 1900 Planck no reconoció que la nueva ley de radiación hacía necesaria una ru p tu ra con la física clásica. Tam poco lo hicieron, en todo caso, otros físi- ٠؟، . Vale la pena fijarse en que n inguna «catástrofe ultravioleta» estaba involucrada en

La lenta ascen$ión de la teería cuántica 63

la form ación de la ley de rad iación de Planck. La base de esta «catástrofe» es que el teorem a de equipartición de la m ecánica clásica, cuando se aplica a los osciladores de un cuerpo negro, lleva a una densidad de energía de la form a V2T y así, cuando se integra sobre todas las frecuencias, a u n a energía to tal infinita. En este sentido, existe un conflicto entre la física clásica y el espectro del cuerpo negro, pero el conflicto no tuvo ningún papel en los sucesos que realm ente condujeron a la hipótesis de Planck. La ley de radiación m encionada fue ob tenida p o r Lord Rayleigh en el verano de 1900, aunque él añadió u n factor a d hoc de exp(-aW T) con el objeto de hacer que la fórm ula estuviera m ás de acuerdo con los datos. La fórm ula u ~ V2T se conoce hoy día com o la ley de Rayleigh-Jeans porque fue vuelta a derivar p o r Rayleigh en 1905 y provista de una corrección num érica po r James Jeans eJ m ism o año. A unque Rubens y K urlbaum incluyeron Ja fórm ula de Rayleigh en su artículo de 1900, Planck Ja ignoró, así com o el teorem a de b i p a r t i c ió n . La ley de Rayleigh-Jeans, sin el factor exponencial, es obvia- ^ e n te incorrecta para altas frecuencias, pero Ja discrepancia no se veía com o u n gran r'o b lem a para Ja física clásica. Por aquel entonces m uchos físicos, incluyendo a Ray- ألو:ي y Jeans, dudaban que el teorem a de equipartición fuera generalm ente válido.

Primeros debates sobre ■a hipótesis cuántica

Si ocurrió una revolución en la física en 1900, nadie pareció darse cuenta, y Planck ؛1 que m enos. D urante los prim eros cinco años del siglo, había u n silencio casi com - r ’eto sobre la hipótesis cuántica, que de m anera algo oscura estaba involucrada en la ،privación de PJanck de la Jey de radiación del cuerpo negro. La m ism a ley p o r o tro نم0 , fue rápidam ente adoptada p o r su convincente acuerdo con Jos experim entos. Tan ;·ronto com o en 1902, Ja fórm ula de la Jey de radiación de Planck aparece en eJ según- do volum en del fidedigno M a n u a l d e espectroscopia de H eínrích Kayser, pero sin m en- d o n alguna sobre Ja naturaleza de Ja suposición cuántica. A unque a veces surgía alguna crítica, en 1908 eJ resultado de Planck era f e r a l m e n t e aceptado com o la correcta respuesta a Ja cuestión del espectro del cuerpo negro. Sólo un puñado de teóricos con- sideró que valía Ja pena en tra r en los detalles de los cálculos de PJanck y preguntarse por qué la fórm ula era correcta.

U no de elJos era H endrík A. Lorentz, que em pezó a concentrarse en Ja teoría del cuerpo negro en 1903, cuando derivó de m anera independ ien te la ley de Rayleigh- Jeans, basándose en la teoría electrónica. EJ resultado Je desconcertó. Cinco años más tarde, en un congreso m atem ático en Roma, presentó una panorám ica del problem a deJ cuerpo negro o, en su term inología, la división de Ja energía entre m ateria ponde- rabie y éter. Según lo veía Lorentz, la elección estaba entre, p o r un lado, Ja fórm ula de ~ teóricam ente satisfactor؛a pero em píricam ente inadecuada y, por otro,la fórm ula de Planck, em píricam ente confirm ada pero teóricam ente insatisfactoria. " prefería Ja prim era opción y sugirió vagam ente que se necesitaban nue-vos experim entos para decidir entre Jos dos candidatos. Los experim entales alem anes sabían m ás de esto. Convencidos de que el asunto estaba firm em ente resuelto, no que


rían saber nada de la ley de Rayleigh-Jeans y protestaron contra la sugereneia de Planck. En consecuencia, Lorentz se vio forzado a aceptar la fórm ula de Planck y a inten tar en tender su verdadero significado. Reconociendo que teoría de Planck presen^ taba algunas características no clásicas, Lorentz se convirtió en uno de los líderes de la nueva teoría cuántica.

C om o resultado del sem inario de Lorentz en Roma, las consecuencias «catastróficas» de la ley clásica de Rayleigh-Jeans se hicieron más conocidas en la com unidad física; fue sólo a partir de entonces cuando Ja «catástrofe ultravioleta» com enzó a desem peñar un papel im portante en Jas discusiones. (La expresión fue in troducida po r Ehrenfest en 1911 y se convirtió en un tem a popular en los libros de texto de física.) La teoría del electrón era la teoría m icroscópica dom inante y de mayor éxito de la época, así que era tentador creer que esta teoría podría de algún m odo resolver Jos enigmas de Ja radiación del cuerpo negro. Esto fue Jo que Lorentz intentó en 1903, sóJo para acabar con Ja Jey de Ray- leigh-Jeans. Por un tiem po, Planck siguió Ja idea de que Jos cuantos de electricidad po- dían conducir cuantos de energía. Por ejemplo, en 1905 escribió a Paul Ehrenfest, «no me parece imposible que esta suposición (la existencia de u n cuanto elem ental de electricidad) ofrezca un puente a la existencia de un cuanto de energía elemental h, en particular porque h tiene la m ism as dim ensiones que e2/c»(Kuhn 1978, p. 132). Aquí tenem os, aunque sea sólo im plícitam ente, eJ prim er presentim iento de Ja constante de estructura fina Intrlhc. Sin embargo, nada se obtuvo de esta idea ni de otros intentos de deducir el cuanto de acción de teorías existentes. Si bien vaJe Ja pena fijarse en eJ profundo interés de Planck en las constantes universales de la naturaleza y su posible interrelación. En س artículo de f899 -e l prim ero en el que la constante de Planck aparece im plícitam ente- notó que todos los sistemas de unidades ordinarios estaban basados en «las necesidades especiales de nuestra cultura terrestre» y sugirió com o alternativa un sistema basado en lo correspondiente a las constantes h, ،:y G. Estas unidades, escribió, «necesariamente re- tendrían su significación de m anera independiente a cuerpos y sustancias especiales, para todo tiem po y toda cultura, incluso las extraterrestres y extrahum anas». Las unidades que Planck propuso no tenían valor práctico y fueran ignoradas largo tiem po. Sin embargo, con la llegada de las teorías de gravedad cuántica de los años setenta, fueron am - pliam ente discutidas y hoy, a finales del siglo XX, la m asa de Planck (10-5 gram os) y el tiem po de Planck (lO"43 segundos) son im portantes m agnitudes en la teoría cosmológi- ca (véase tam bién el capítulo 27).

D urante casi una década, Planck creyó que su le)' de radiación podría reconciliarse con la m ecánica clásica y la electrodinám ica y que las discontinuidades eran caracterís- ticas de los osciladores atóm icos, no del intercam bio de energía com o tal. Se dio cuenta de que algún tipo de cuantización estaba involucrado, pero no en el sentido que los valores de la energía de los osciladores estuvieran lim itados a un con junto discreto hv, 2hv, 3hv , ... En sus prim eros artículos, había escrito la ecuación de la energía E = nhv (n = 0 ,1 ,2 , . . .) pero con £ significando la energía total de los osciladores, sin requerir que la energía de los osciladores individuales estuviera restringida del m ism o m odo. Fue sólo sobre 1908 cuando, en parte com o resultado de su correspondencia con Eorentz, se

La lenta ascensión de la tecría cuántica 65

convirtió al punto de vista de que el cuanto de acción era un fenóm eno irreducible más allá del entendim iento de la física clásica. Hasta entonces pensaba en hv com o ط parte más pequeña del continuo de energía más que com o algo que pudiera exist؟r po r sí solo, un cuanto de energía análogo al cuanto eléctrico, el electrón. C om o escribió a Lorentz en 1909, ahora adoptaba la hipótesis de que «el intercam bio de energía entre electrones y éter libre ocurre sólo en núm eros enteros de cuantos hv» (Kuhn 1978, p. 199).

A finales de la p rim era década del siglo XX, la teoría cuántica todavía se entendía de m anera m uy pobre y era estudiada seriam ente tan sólo po r unos pocos físicos teóricos. Estos incluían a Lorentz, Lhrenfest, Jeans, Línstein, Larm or y, por supuesto, Planck. Hasta 1906, Einstein era el único que se daba cuenta de la naturaleza radical y no clá- sica de la teoría de Planck, pero cuatro años después, la m ayoría de los especialistas re- conocían que la cuantización de la energía era real y hacía necesario algún tipo de rup- tu ra con la física clásica. D urante la prim era década, la teoría cuántica era en su m ayor parte idéntica a la teoría de la radiación del cuerpo negro, y el pequeño cam po no tuvo un gran im pacto en la com unidad física. Esto se ilustra en el gráfico 5.2, que p roporciona el núm ero de autores que publicaba sobre tem as cuánticos entre 5 ل9ه y 1914. Antes de entonces, es decir, de 1900 a 1904, el núm ero de autores sobre teoría cuántí- ca era o bien cero o uno (el único que contribu ía era Planck, en 1900 y 1901). La figura ilustra no sólo la lenta ascensión de la teoría cuántica, sino tam bién el dom inio de la física del cuerpo negro hasta 1910, cuando publicaciones sobre calores específicos y, a partir de 1913 aproxim adam ente, física atóm ica y m olecular, em pezaron a cam biar tanto la com posición com o el ritm o de la teoría cuántica.

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


Einstein y el fotón

Se ha afirm ado que, incluso si Planck no hubiera encontrado su fórm ula para la ra diación del cuerpo negro que inició la p rim era teoría cuántica, la teoría habría llegado de todos m odos en los prim eros años del siglo xx. El candidato com o hipotético descubridor de la teoría cuántica es Einstein, quien es más conocido, por supuesto, por su invención de la teoría de la relatividad. Si b ien el joven Einstein tam bién hizo con tribuciones a la prim era teoría cuántica de tal im portancia - y en 1905, el m ism o año que in trodu jo la re la tiv idad- que podrían justificar la afirm ación. De hecho, Einstein parece haber considerado su teoría de los cuantos incluso m ás im portan te que su trabajo inm ediatam ente posterio r sobre relatividad especial. En una carta de mayo de 1905 a su am igo C onrad H abicht, se refiere a su próxim o artículo sobre «la radiación y las propiedades energéticas de la luz» com o «muy revolucionario». Al artículo en preparación sobre relatividad especial se refería más m odestam ente com o «una electrodinám ica de cuerpos móviles que utiliza una m odificación de las ideas de espacio y tiem po». M ientras que Planck, com o se ha dicho, se convirtió en u n revolucionario en contra de su voluntad, Einstein reconoció las im plicaciones revolucionarias de la h ipótesis cuántica m ucho más claram ente y actuó voluntariam ente com o u n profeta de la revolución cuántica. Hay m ucha verdad en la afirm ación de que la teoría cuántica em pezó en serio sólo en 1905, con las obras de Einstein.

¿Cuál era, entonces, la esencia del autoproclam ado revolucionario trabajo de E instein sobre la radiación publicado en Annalen der Physik el 9 de jun io de 1905? P rim ero, el enfoque de Einstein difería drásticam ente del de Planck y apenas se apoyaba en la ley de radiación de Planck y su cuanto de acción asociado. Einstein sí m encionó la ley, pero sin utilizarla; en vez de eso, se centró en la antigua ley de W ien en su régim en experim entalm ente confirm ado, es decir, para altas frecuencias y bajas tem peraturas. Einstein dejó claro que ésta era la parte interesante y problem ática del espectro, la que requería nuevas hipótesis físicas. La teoría clásica conduciría a la ley de Rayleigh-Jeans, enfatizó Einstein, y fácilm ente derivó esta ley, incluyendo el factor correcto delante de v 2T. Teniendo en cuenta las prioridades, la ley podría llam arse de Rayleigh-Einstein o de Einstein (o, ya puestos, aunque sería más aparatoso, la ley de Rayleigh-Lorentz-Ein- stein-Jeans). Sin em bargo, fue la ley de W ien la que consideró Einstein en su trabajo de 1905. U tilizando argum entos term odinám icos sencillos pero ingeniosos, y utilizando al m áxim o la probabilística de B oltzm ann (la expresión de la en trop ía S = k logSW), calculó la probabilidad de que la energía total de la radiación en un contenedor esté contenida en una parte pequeña del volum en total. A p a rtir de su resultado razonó, m ediante una analogía con la teoría clásica de los gases, que «la radiación m onocro m ática de baja densidad se com porta -s iem p re que la ley de radiación de W ien sea vá- lid a - [...] com o si consistiera en cuantos de energía m utuam ente independientes de m agnitud Rfiv/N». Es decir, según Einstein, la p rop ia radiación tenía u n a estructura discreta o atom ística, una hipótesis que iba m ucho m ás allá de la sugerida p o r Planck. Además, según Einstein, la energía de los osciladores responsables de la em isión y absorción de la luz cam biaría de m anera discreta, en m últiplos de hv. Obsérvese que el


sím bolo |3 denota h/k, igual que Planck lo usaba antes de que in trodu jera la hipótesis de cuantización y explícitam ente, el cuanto de acción, en diciem bre de 1900. N o fue un accidente que Einstein no utilizara la no tación de Planck ni su teoría más m adura de la radiación de cuerpo negro. Por aquel entonces, Einstein creía que no se podía hacer que la teoría de Planck estuviera de acuerdo con la idea de cuantos de luz, un erro r que corrigió en u n artículo de 1906. Con k = R /N y (3 = h/k, obtenem os la form a habitual de los cuantos de radiación, E = hv.

Einstein era m uy consciente de la naturaleza radical de su «enfoque heurístico» de la radiación libre com o consistente en cuantos discretos, o, com o se les denom inó más tarde, fotones. (El nom bre fue sugerido p o r el quím ico estadounidense H ilbert Lewis en 1926.) Después de todo, existía una im presionante evidencia a favor de la teoría o n dulatoria de la luz y, po r esta razón, Einstein enfatizó que su concepto de cuantos de luz era provisional. Sin em bargo, estaba convencido de la realidad de los cuantos de luz e in ten tó con gran em peño m ostrar que su hipótesis era em píricam ente fructífera. En concreto, considerando el efecto fotoeléctrico com o un proceso de in tercam bio de energía en el cual se liberan electrones de la superficie de u n m etal ilum inado po r luz, consiguió explicar los experim entos realizados p o r Philipp Lenard en 1902. Además, se seguía directam ente de la teoría de Einstein, que la energía m áxim a (£) de los electrones generados p o r la luz debe relacionarse linealm ente con la frecuencia de la luz incidente. La ecuación de Einstein era E = hv - P, siendo P una función de trabajo que depende del m etal del ánodo. Por aquel entonces, ni Lenard ni otros habían m edido E com o función de v , y la ecuación fotoeléctrica de Einstein era p o r lo tan to u n a predicción realm ente novedosa. La teoría de Einstein no era una respuesta a una anom alía experim ental que la teoría clásica no pudiera explicar, ya que en 1905 el efecto fo toeléctrico no se consideraba problem ático. Fue sólo unos años después cuando los experim entales asum ieron la relación entre E y v . Y cuando lo hicieron, no fue con el p ro pósito de com probar la teoría de Einstein.

En lo concerniente a los datos experim entales, du ran te varios años m ostraron una confusa d isparidad, yendo de relaciones cuadráticas a logarítm icas y a lineales (es decir, de E ~ v 2 a E ~ logi' a E ~ v). Sólo alrededor de 1914 se acum ularon evidencias a favor de la ley lineal, y con la fam osa serie de experim entos de 1916 de Robert Milli- kan p o r fin se obtuvo u n consenso. Q uedó entonces establecido más allá de cualquier duda que la energía m áxim a de los electrones em itidos en efecto varía linealm ente con la frecuencia de la luz, justo com o Einstein predijo en 1905. Podría quizá creerse que esto habría sido recibido com o u n gran éxito de la teoría de Einstein y habría hecho que la m ayoría de los físicos aceptaran la hipótesis de los cuantos de luz. En este caso, se estaría equivocado. N inguno de los experim entales concluyó a favor de la «hipótesis arriesgada, po r no decir tem eraria, de Einstein», com o M illikan la calificó en 1916. Lo que M illikan había confirm ado era la ecuación de Einstein, no su teoría, y no existía una relación unívoca entre teoría y ecuación. Era posible derivar la ecuación confirm ada experim entalm ente sin la hipótesis del cuanto de luz, y cuando estas alternativas más o m enos clásicas, (y, de hecho, más o m enos ad hoc) resultaron ser insostenibles,


siem pre existía la o i b i l i d a d de declarar el efecto fotoeléctrico inexplicado por el m o- m entó: esto es lo que sucedió. La teoría de los cuantos de luz fue o bien ignorada o bien rechazada tan to po r los experim entales com o por los teóricos. £ ra una hipótesis sim- plem ente dem asiado radical. En 1913, cuando Einstein fue propuesto com o m iem bro de la prestigiosa Academia de las Ciencias ? ru siana (o de Berlín), los que le nom inaron, entre ellos ? lanck y W alther N ernst, ensalzaron a Einstein, pero tam bién m encionaron que «puede haber errado a veces el tiro en sus especulaciones, com o, p o r ejem- pío, en su hipótesis sobre los cuantos de luz» (Jam m er 1966, p. 44).

Im pasible ante la fría respuesta al cuanto de luz, Einstein continuó trabajando en la teoría cuántica ط, cual fue su principal área de ocupación profesional du ran te los años 1906-1911, y de m ayor im portancia para él que la teoría de la relatividad. En un ar- tículo de 1909, Einstein derivó las fluctuaciones energéticas de la radiación del cuerpo negro. Su fórm ula consistía en dos térm inos, uno que él atribuía a la naturaleza cuánti- co-corpuscular de la radiación y o tro que él in terpretaba com o un térm ino ondulatorio clásico. Así pues, desde el pun to de vista de Einstein, la radiación electrom agnética in- cluía am bas características, que tradicionalm ente se consideraban contradictorias. En 1909 la ftrsión de Einstein de la teoría de partículas y ondas era altam ente provisional, pero una serie de trabajos posteriores, desarrolló la idea y, tras 1925, pasaría a ser una parte integral de la m ecánica cuántica, © tro aspecto del trabajo de Einstein de 1909 m erece m ención, en concreto el que considerara fluctuaciones de m om ento ju n to con fluctuaciones de energía. Una partícu la real tiene m om ento adem ás de energía, y en 1909 Einstein claram ente pensaba en el cuanto de luz com o u n a partícu la en el m ism o sentido en que los átom os y los electrones son partículas. Sin em bargo, aunque el mo- m entó del cuanto de luz (p = hv/c) se sigue directam ente de la teoría de la relatividad, Einstein escribió la expresión sólo en 1906.

Calores específicos y el estad© de la teoría cuántica en 1913

Al igual que Einstein fue el p rim ero en extender el significado de la teoría cuántica al cam po de la radiación, tam bién fue el p rim ero en extenderlo a u n problem a de lo que más tarde sería conocido com o física del estado sólido. Hizo esto en 1907, cuando aplicó la teoría cuántica al cálculo de los calores específicos de los sólidos. Se sabía desde 1819 que existe una relación peculiar entre los pesos atóm icos de los elem entos SÓ-

lidos y sus capacidades caloríficas específicas, en concreto que (en lenguaje m oderno) la capacidad calorífica m olar es básicam ente una constante, de unas 6,4 calorías por mol por grado. En 1876 la ley de D ulong-Petit, llam ada así por sus descubridores franceses, recibió una explicación teórica sólida gracias a Boltzm ann, quien m ostró que se derivaba del teorem a de equipartición de la física m ecánica. A unque se consideró generalm ente u n gran éxito del pu n to de vista m ecánico-atóm ica de la m ateria, el éxito no era com pleto. Existen unas pocas excepciones a la ley de D ulong y Petit, com o el carbono (diam ante), boro y silicio. La anom alía del carbono se conocía desde 1841, cuando los experim entos m ostraron que el calor específico m olar del d iam ante era de

La lenta ascensión de ia teoría cuántica 69

aproxim ل ,8 adam ente, en vez de lo6,4 ؟ que podían esperarse de la regla de D ulong-?e- tit. Además, experim entos realizados a partir de 1870 m ostraron que los calores espe- cíficos se increm entan con la tem pera tu ra y, en el caso del diam ante, de m anera bastan te considerable. En 1875 el físico alem án H einrich W eder estableció que el calor específico del d iam ante se increm enta en un factor de 15 en el rango de -1 0 0 ° c a +1.000 °c , y experim entos posteriores publicados en 1905 po r el quím ico escocés Ja- m es Dewar m ostraron que los calores específicos casi se anulaban a tem peraturas cercanas a 20 K. Eos in tentos de explicar la variación fallaron, y po r tan to el problem a de los calores específicos resultaba una anom alía hasta que Einstein lo atacó en 1907, con bastante éxito.

U tilizando la ley de distribución de Planck en su trabajo de 1907, Einstein encon- tró una expresión para la energía m edia de u n átom o en u n cristal v ibrando en tres di- m ensiones con ط m ism a frecuencia. Esta expresión proporcionaba el valor clásico 3kT para altas tem peraturas, y p o r tan to llevaba a la le}' de f)u long y Petit pero decaía ex-

' ' cuando A tend ía a cero. En este régim en, el teorem a clásico de equi- partic ión - la base de la ley de D ulong y P e tit- no podía aplicarse. C om parando su fór- m uía para la capacidad calorífica con los datos obtenidos p o r Weber, Einstein consiguió ajustar la frecuencia de vibración de m anera que se obtenía u n acuerdo con los experim entos prom etedor, aunque no perfecto. La teoría de Einstein fue ؛m portan te porque atrajo interés hacia la teoría cuántica; sin em bargo era sólo aproxim ada y necesitaba claram ente m odificaciones, sobre todo cuando nuevos experim entos mos- tra ro n que la variación a bajas tem peraturas estaba en desacuerdo cuantitativo con la teoría. U na versión m ucho m ás sofisticada de la teoría de Einstein fue desarrollada en 1912 p o r el teórico holandés Peter L)ebye y su versión p rodujo una sim ilitud m uy cercana a los experim entos.

La teoría de los calores específicos ayudó a acercar la teoría cuántica hacia áreas de la física más tradicionales y la hizo conocida para los m uchos físicos que no estaban interesados o no com prendían los detalles más finos de la radiación del cuerpo negro: a este respecto, fue m ucho más im portan te que la teoría de los cuantos de luz. Sin embargo, su im pacto no fue instantáneo. De hecho, hasta 1910-1911, la teoría de Einstein de los calores específicos estaba tan ausente de la literatura científica com o su teoría de los cuantos de luz. Fue sólo entonces cuando los físicos em pezaron a darse cuenta de ella y, bastante repentinam ente, la teoría cuántica de los calores específicos fue reconocida como u n área de investigación im portante. En 1913 había m ás ؛mblicaciones sobre este tem a que sobre ظ teoría del cuerpo negro. Por aquel entonces, la teoría cuántica era todavía un área de la física bastante esotérica, pero ahora se tom aba en serio por un núm ero ere- ciente de físicos. Además, tam bién se em pezó a sentir su presencia en la química: Walther N ernst, el pionero alem án de la química-física, fue crucial en el surgim iento del interés en ط teoría cuántica. M ientras que Planck y otros estudiosos de la radiación del cuerpo negro se centraron en el cam po de la radiación, y consideraban una ventaja que este campo fuera independiente de la estructura de la m ateria, para N ernst la teoría cuántica era im portan te porque podía ayudar a entender la estructura de la m ateria. Su trabajo sobre


la term odinám ica quím ica en la región de bajas tem peraturas apoyaba la teoría de Ein- stein de los calores específicos. En 1911 N ernst sugirió que la teoría debía ser aplicable tam bién a las vibraciones de moléculas de gas, una idea que foe asum ida por Niels Bje- rrum , un joven quím ico danés que trabajaba en el laboratorio de N em st en Berlín. En trabajos realizados entre ا9لل y 4 ل9ا , B jerrum aplicó la teoría cuántica tanto a los calores específicos de gases com o a los espectros de absorción infrarroja de moléculas. En concreto, en 1 9 2 cuantizó la energía rotacional de una m ل olécula diatóm ica y utilizó el resultado para proponer una teoría de los espectros moleculares que rápidam ente reci- bió confirm ación experimental. El trabajo de Bjerrum , una prim era contribución al área de investigación más tarde conocida com o física-química, fue un im portante éxito de la teoría cuántica. D urante la mayor parte de la década de اوا(ل , las moléculas frieron más im portantes que los átom os para la disem inación de la teoría cuántica.

El creciente interés en teoría cuántica puede ilustrarse p o r el Congreso Solvay de fí- sica, celebrado en Bruselas en noviem bre de 1911, el cual fue el p rim ero de una im- po rtan te serie de encuentros internacionales de física. Ernest Solvay, un industrial y fí- lán tropo belga que había am asado fo rtuna inventando u n nuevo m étodo para la p roducción de refrescos, tenía un interés profundo, si bien algo amateur, en la física teórica. La com binación del dinero de Solvay y la iniciativa de N ernst dió com o resultado el congreso de 1911 sobre la problem ática relación entre la teoría cuántica, la teo- ría cinética de los gases y la teoría de la radiación. Lorentz presidió la conferencia y entre los 21 participantes invitados estaban los m ejores físicos europeos, incluyendo a ?lanck, N ernst, Som m erfeld, M arie Curie, R utherford, Poincaré y Einstein. No se invi- tó a n ingún estadounidense. A unque las discusiones en Bruselas no resultaron en ninguna respuesta concreta a las m uchas preguntas form uladas, ftreron útiles en el sentí- do de hacer que los problem as de la radiación y la teoría cuántica quedaran más definidos. Einstein apun tó que el congreso «tenía u n aspecto sim ilar a las lam entacio- nes en las ruinas de (e™؛>alén», pero al m enos lo encontró socialmente estim ulante. «Fue m uy interesante lo de Bruselas», escribió a su am igo H einrich Zangger, «Lorentz es un milagro de inteligencia y tacto; una obra de arte viviente [...] Poincaré estuvo en general llanam ente negativo respecto a la teoría de la relatividad [...] Planck es intratable acerca de ciertas ideas preconcebidas que son, sin lugar a dudas, erróneas [...] Todo ello habría sido una delicia para los diabólicos padres jesuitas» (M ehra 1975, p. xiv). A nim ado por el éxito de la conferencia, Solvay decidió establecer una institución perm anente, a la que dotó con un m illón de francos belgas. El Instituto Internacional de Física, fundado en 1912, estaba dirigido po r un consejo que consistía en nueve prom inentes físicos de cinco países. El prim er com ité científico consistía en Lorentz y Kamerlingh C nnes de los Países Bajos, M arie Curie y Marcel Krillouin de Francia, M artin Knudsen de Dinam arca, Robert G oldschm idt de Bélgica, N ernst y Emil W arburg de Alemania y Rutherford de G ran Bretaña. D urante más de dos décadas, las conferencias Solvay eran los encuentros más prestigiosos y científicamente im portantes de los físicos de elite.

El encuentro de 1911 fue organizado principalm ente por Nernst, quien creía que ha- bía llegado el m om ento para una conferencia sobre problem as de m ateria y radiación a


la luz de la teoría cuántica. Principalm ente com o resultado del trabajo de Einstein sobre calores específicos, N ernst se había convencido de la revolucionaria im portancia de la teoría cuántica, una teoría a la que no había prestado atención anteriorm ente. En julio de 1910 escribió a Solvay, el benefactor de la planeada conferencia, «parece que estamos en estos m om entos en m itad de una reform ulación revolucionaria de los cim ientos de la teoría cinética de la m ateria hasta ahora aceptada [...] Esta concepción [de los cuantos de energía] es tan extraña a las ecuaciones de m ovim iento que se utilizaban anteriorm ente que su aceptación debe estar acom pañada sin duda de una am plia reform a de nuestra in tuición fundam ental» (Kuhn 1978, p. 215). Planck,¿:on quien N ernst debatió el plan, estaba de acuerdo con que la teoría cuántica era un reto im portante para los conceptos clásicos de la física, pero al principio era escéptico acerca de celebrar la conferencia tan pronto com o en 1911. En junio de 1910 escribió a Nernst, «soy de la opinión de que apenas la m itad de los conferenciantes en los que está pensando son conscientes de una preocupación suficientem ente activa acerca de la urgente necesidad de una reform a [de la teoría] com o para justificar que asistan a la conferencia. En cuanto a los mayores (Ray- leigh, Van der Waals, Schuster, Seeliger) no discutiré en detalle si estarán em ocionados po r la idea. Pero incluso entre la gente más joven la urgencia y la im portancia de estas cuestiones apenas ha sido reconocida. Entre todos los que he m encionado creo que, aparte de nosotros, sólo Einstein, Lorentz, W. W ien y Larm or estarán seriam ente interesados en el asunto» (M ehra 1975, p. 5). A unque la conferencia de Bruselas sobre «teoría de la radiación y los cuantos» incluía todas las figuras clave de la teoría cuántica, no to dos los participantes se ocupaban de problemas cuánticos. Dos de los informes, realizados por Jean Perrin y Knudsen, no trataban con aspectos de la teoría cuántica. Los títulos de los inform es presentados en la conferencia dan una im presión de qué m aterias se consideraban im portantes en el área escogida de la física teórica:

- Aplicación del teorem a de equipartición de la energía a la radiación (por H. A. Lorentz, 58 años).

- Teoría cinética del calor específico según Maxwell y B oltzm ann (por J. H . Jeans, 34 años).

- La ley de la radiación del cuerpo negro y la hipótesis del cuanto de acción elem ental (po r M. Planck, 53 años).

- La teoría cinética y las propiedades experim entales de los gases perfectos (por M. K nudsen, 40 años).

- La p rueba de la realidad m olecular (por J. Perrin , 41 años).- Aplicación de la teoría cuántica a problemas fisicoquímicos (por W. Nernst, 47 años).- El cuanto de acción y fenóm enos m oleculares no periódicos (por A. Som m er-

feld, 42 años).- El problem a de los calores específicos (por A. Einstein, 32 años).

La conferencia de Solvay no p roporcionó nuevas perspectivas im portantes, pero a pesar de ello, los inform es y las discusiones ayudaron a establecer un en tendim iento


com ún de cuáles eran los problem as clave de la teoría ،:uántica. La actitud general era cauta y algo escéptica. Q uedó claro que los enigm as del cuanto estaban lejos de ser resueltos y que el estado de la teoría cuántica seguía siendo insatisfactorio. «La enferm e- dad h parece cada vez más incurable», escribió £ inste؛n a Lorentz poco después del congreso. En o tra carta del m ism o periodo concluyó que «nadie sabe nada en realidad» (Barkan 1993, p. 68). Sin em bargo pocos especialistas reconocieron que la teoría cuán- tica había llegado para quedarse y que m arcaba el inicio de u n nuevo capítulo en la his- to ria de la física. El sentim iento fue bien expresado por el conservador Planck en un discurso de 1911 ante la Sociedad Alem ana de Quím ica: «Es seguro que la m ayor parte del trabajo está sin hacer», Planck dijo, «pero el principio está hecho: la hipótesis de los cuantos nunca desaparecerá del m undo [...] N o creo que esté yendo dem asiado lejos si expreso la op in ión de que con esta hipótesis se establece el cim iento para la cons- trucción de una teoría que está destinada algún día a perm ear los rápidos y delicados sucesos del m undo m olecular con una nueva luz» (Klein 1966, p. 302).

El carácter indefin ido de la teoría cuántica podría ilustrarse po r los in tentos de Planck entre 1911 y 1914 de revisar la teoría para retener lo m ayor posible de la teoría clásica de la electrodinám ica. Su nueva proposición era abandonar la hipótesis de que la energía de un oscilador está cuantizada en el sentido de que los procesos de absor- ción y em isión de energía sean procesos discretos. C om o alternativa, Planck sugirió que la absorción era un proceso continuo, m ientras que la em isión se consideraba discontinua y regulada po r una ley probabilística. Sobre esta base, Planck pudo derivar la ley de radiación del cuerpo negro de una m anera que consideraba más satisfactoria. Al contrario que la teoría original de 1900, en la teoría de 1912 la energía de un oscilador no era nula a tem pera tu ra cero. Para r = 0 e l resultado se convierte en E = h\’H , de ahí el nom bre de «energía del pun to cero». Esta sorprendente idea despertó gran interés }' p ron to fue aplicada a una variedad de fenóm enos, incluyendo radioactividad, superconductividad y esparcim iento de rayos X. N ernst utilizó ظ idea incluso en especulaciones cosmológicas. La existencia de una energía del pu n to cero fue al final confir- m ada y deducida de una m anera natu ra l a p a rtir de la m ecánica cuántica en los años veinte. Pero históricam ente, se originó en ط incorrecta teoría de Planck de 1912.

C A P ÍTU LO 6

Física a bajas temperaturas

La carrera hacia el cero

La criogenia es el estudio de los fenóm enos y propiedades materiales a m uy bajas tem peraturas, y especialmente de los m étodos para producir estas tem peraturas. Alrededor de 1880, la criogenia era una ciencia viviendo su infancia. A lo largo del siglo xix, había existido interés en la condensación de gases y, en particular, en la licuefacción de los constituyentes del aire. El p rim er resultado im portante en esta área ocurrió en 1877, cuando un ingeniero de m inas francés, Louis Cailletet, anunció en un encuentro de la Academia de Ciencias de París que había observado gotitas de oxígeno líquido. El descubrim iento resultó ser doble, ya que dos días antes de que Cailletet hiciera su anuncio, un físico suizo, Raoul Pictet, había telegrafiado a la Academia en un inform e que había conseguido condensar oxígeno. Fue uno de los m uchos descubrim ientos sim ultáneos independientes en la historia de la ciencia. Los dos investigadores utilizaron m étodos diferentes, pero en am bos experim entos se enfrió oxígeno puro bajo presión y después se le perm itió expandirse bruscam ente. Unos pocos días después de haber causado la condensación de oxígeno, Cailletet repitió su éxito con el o tro constituyente de la atmósfera, el nitrógeno.

Una cantidad mayor de oxígeno líquido fue producida en 1883 por los científicos polacos Szygmunt Wrobleski y Karol Olszewski, quienes modificaron el m étodo de Cailletet de tal m anera que la rápida expansión del gas no era necesaria. De esta m anera pudieron observar el líquido hirviendo y no tan sólo gotitas formadas por el gas. El químico Wrobleski y el físico Olszewski trabajaban en la Universidad Jagielloniana de Cracovia, que era uno de los centros mundiales de investigación criogénica a finales del siglo. (Wrobleski m urió trágicamente en 1888, en un incendio en su laboratorio.) La tem peratura más baja registrada en los prim eros experimentos de Cracovia era de unos 55 K, unos 35 K por debajo del punto de ebullición del oxígeno a presión normal, sin embargo, los métodos utilizados por la prim era generación de físicos de bajas tem peraturas eran poco eficaces y no conseguían producir grandes cantidades de gases líquidos. La situación cambió en la década de


1890, cuando se desarrollaron nuevas tecnologías de refrigeración, principalm ente por Cari von Linde en Alemania, William Ham pson en Inglaterra y George Claude en Francia. Linde fue un pionero de la ingeniería de refrigeración y el fundador de una com pañía de éxito que desarrollaba refrigeradores para usos industriales. En 1895, a los 71 años de edad, inventó un eficaz m étodo para la licuefacción de gases basado en el efecto Joule-Thomson. Los trabajos de Linde, H am pson y Claude se dirigían principalmente a la producción de aire líquido con propósitos industriales, pero tam bién fueron im portantes para otros fines científicos. En general, la ciencia y la tecnología se desarrollaron m ano a m ano en las áreas de la criogenia y la física de bajas tem peraturas. Por ejemplo, la Association Internationale du Froid (Asociación Internacional de la Refrigeración), fundada en 1909, era una organización para los aspectos tanto científicos como industriales de las bajas temperaturas. Otro rasgo característico de la prim era fase de la criogenia fue la naturaleza interdisciplinar del cam po, que englobaba a quím icos, físicos e ingenieros. U n tercer rasgo caracterizaba el campo, en concreto, que era m uy caro com parado con lo habitual en la física experimental de aquella época. Sólo unos pocos laboratorios de física podían permitirse iniciar una investigación sobre bajas temperaturas.

A finales del siglo xix, existía un interés creciente en alcanzar tem peraturas aun más bajas, tan cerca del cero absoluto com o fuera posible. La licuefacción del hidrógeno, que se pensaba que poseía el pun to de ebullición más bajo de todos los gases, se convirtió en una meta atractiva de la física de bajas tem peraturas, y los intentos para licuar el gas p ronto se transform aron en una carrera. Los principales participantes en la carrera eran científicos en Gran Bretaña (Londres), Polonia (Cracovia) y H olanda (Leiden). Com o resultado de la presión competitiva y del prestigio que suponía ser el prim ero en licuar el hidrógeno, y después el helio, la carrera tuvo lugar en una atm ósfera de litigio, controversia sobre quién había sido el prim ero y afirmaciones de éxito demasiado apresuradas. Uno de los participantes fue el quím ico escocés James Dewar, quien trabajaba en la Royal Ins- titu tion en Londres. A caballo entre la quím ica y la física experimental, Dewar había in vestigado las bajas tem peraturas desde 1874, y en 1892 inventó uno de los aparatos criogénicos más útiles, el criostato al vacío o vaso Dewar; o, en un lenguaje m enos científico, el termo. En 1898, utilizando una modificación del m étodo de Linde, Dewar tuvo éxito donde sus com petidores habían fallado. El resultado de sus esfuerzos fueron veinte mililitros de hidrógeno líquido hirviendo, la tem peratura del cual estimó sería de unos 20 K. Habiendo obtenido hidrógeno líquido prosiguió para producir el elemento en su estado sólido, lo cual consiguió en 1899. El punto triple del hidrógeno (donde las tres fases se encuentran en equilibrio) se había alcanzado, pero su tem peratura no se pudo determ inar directamente. Dewar estimó que la tem peratura sería de unos 16 K, pero probablem ente había alcanzado tem peraturas incluso más bajas en sus experimentos, quizá sólo 12 grados sobre el cero absoluto. Dewar estaba com pitiendo conscientemente con Olszewski en Cracovia y Kamerlingh O nnes en Leiden, y tras su victoria con el hidrógeno la carrera continuó hacia su siguiente objetivo, la licuefacción del helio.

El elemento helio era bastante novedoso por aquel entonces. Aunque su nom bre y existencia fueran ya sugeridos en 1868, cuando N orm an Lockyer interpretó una línea no

Física a bajas temeperaturas 75

identificada en el espectro solar com o evidencia de un nuevo elemento, fue sólo en 1895 cuando WiDiam Ramsay descubrió helio en ،fiemes terrestres. Al principio se creía que era -uno de los elementos más escasos», com o el químico Clemens W inkler dijo en 1897. Al- gunos años después, en 1903, se encontró que el helio era abundante en pozos de gas natural estadounidenses, pero llevó varios años desarrollar la tecnología necesaria para extraer el helio gaseoso hasta un nivel comercial. De س precio de 2.500 dólares por pie cúbico de helio en 1915, se bajó a un precio de 3 centavos por pie cúbico en 1926. En los prim eros años del siglo, cuando el helio era escaso y caro, los científicos sospechaban que su pun to triple estaba por debajo del pun to del hidrógeno: en consecuencia, los tísicos de bajas tem peraturas dedicaron sus estúerzos a licuarlo. A la com petición entre Dewar, Olz- sewski y Kamerlingh O nnes se unieron Ramsay y su asistente M orris Travers. Ramsay y Travers eran los líderes m undiales en gases inertes, pero por desgracia no se llevaban bien con el irascible Dewar. El prim er A tento de licuar el helio por parte de Olzsewski tuvo lugar ya en 1896. Fracasó, com o tam bién lo hicieron los intentos posteriores de Dewar y Tra- vers. Estos prim eros experimentos eran de ensayo y error, en el sentido de que se llevaban a cabo sin saber cóm o de baja era la tem peratura que se necesitaba. Tan sólo en 1907 se estimó de m anera fiable la tem peratura crítica del helio, entre 5 K y 6 K . Esto era tan sólo ligeramente m enor que las tem peraturas más bajas obtenidas en los centros europeos de criogenia de la época, y el éxito parecía por lo tanto estar al alcance.

Los científicos británicos y polacos fueron derrotados cuando Kamerlingh Onnes anunció triunfantem ente en julio de 1908, para gran vejación de Dewar, que había licúa- do el gas. El experim ento empezó a las 5:45 a.m. del 10 de julio con 75 litros de aire líqui- do; éste file utilizado para condensar 20 litros de hidrógeno, que fue a su vez utilizado para licuar 60 mililitros de helio bajo presión reducida. La prim era licuefacción del helio se consiguió trece horas más tarde. Kamerlingh O nnes describió el clímax de esta manera: «Fue un m om ento maravilloso cuando el líquido, que parecía casi inmaterial, se vio por prim era vez [...] Estaba exultante cuando pude m ostrar el helio licuado a mi amigo Van der Waals, cuya teoría había sido m i guía en la licuefacción hasta el final» (11984 امحد , p. 2). Kamerlingh ©nnes intentó inm ediatam ente determ inar si podría solidificar el ele- m entó m ediante evaporación bajo presión reducida: fracasó, y los intentos posteriores no tuvieron más éxito. El helio sólido se consiguió al final en 1924, por Willem Keesom en el laboratorio de Leiden. Aun así, Kamerlingh O nnes había producido el prim er helio líqui- do de la historia y en el proceso alcanzó una nueva tem peratura récord, obteniendo temperaturas tan bajas como 1 K en 1910. En este punto, cuando resultó técnicam ente ؛m posible reducir más la tem peratura, tom ó una pausa y decidió investigar las propiedades físicas de las sustancias en el régimen de tem peraturas ahora accesible entre l K y 6 K .

Kamerlingh Onnes y ٠١ laboratorio de Leiden

Heike Kamerlingh Onnes, director y cabeza indiscutible del laboratorio de Leiden desde 1882 hasta su jubilación en 1922, había em pezado su trayectoria en la física con estu


dios bajo la dirección de Kirchhoff en Heidelberg a comienzos de la década de 1870. Su cátedra en Física experimental en la Universidad de Leiden fue la prim era de su clase en Holanda. Alrededor de 1893, se embarcó en un program a de investigación criogénica a gran escala y pronto la mayor parte del trabajo en el laboratorio estaba centrado en bajas tem peraturas (pero no totalmente: fue aquí donde Zeeman descubrió el efecto m agnético sobre las líneas espectrales en 1896). Kammerlingh O nnes planeó su program a de investigación a largo plazo sistemáticamente y con grandes dotes com o gerente, com o un general o un ejecutivo. Al contrario de los laboratorios tradicionales de un Róntgen, un Rutherford o un(a) Curie, Kamerlingh O nnes convirtió su departam ento en una fábrica científica dirigida eficazmente y bien financiada, donde la pericia técnica y logística contaba tanto com o la imaginación científica. Por ejemplo, en vez de depender de partes de aparatos de fabricación casera, Kamerlingh O nnes im portó técnicos extranjeros y organizó una escuela de fabricantes de instrum entos y sopladores de vidrio.

La organización profesional del laboratorio de Leiden, sustentada por am plios recursos económ icos asegurados en parte gracias a las conexiones personales del directo r con industriales holandeses, lo hicieron superior a las instituciones rivales en C racovia, Londres y París. En 1906, el laboratorio operaba un eficiente licuefactor de hidrógeno, capaz de p roducir 4 litros p o r hora , y du ran te una década después de 1908 tenía el m onopolio m undial de helio líquido. Fue sólo tras el fin de la guerra cuando el helio líquido em pezó a producirse en o tros sitios, p rim ero en la U niversidad de To- ronto , luego en el N ational Bureau o f S tandards en W ashington y en el Physikalisch- Technische Reichsanstalt en Berlín. Incluso entonces, Leiden seguía sin rival com o el centro m undial de física de bajas tem peraturas. El sum inistro de helio, por aquel entonces todavía u n elem ento raro y caro, era de crítica im portancia para el laboratorio de Leiden. K am erlingh O nnes obtuvo su p rim er helio calentando arena de m onacita radiactiva de C arolina del N orte y purificando posteriorm ente el gas liberado. O tros sum inistros del precioso gas se derivaban de la torianita , o tro m ineral radiactivo, o se recibían com o regalos de com pañías quím icas extranjeras.

Kam erlingh O nnes era un director autocrático de la vieja escuela, clasista y p ro fundam ente conservador. D irigía el laboratorio com o u n «déspota benevolente», com o H endrik Casimir, el físico holandés y m ás tarde director de los Laboratorios de Investigación Philips, le describiera una vez. Sin em bargo el déspota era apreciado y capaz de estim ular en sus em pleados científicos y técnicos un espíritu de com prom iso y colaboración. Para asegurar la am plia circulación del trabajo del laboratorio , en 1885 Kam erlingh O nnes fundó la revista in terna Comunicaciones del Laboratorio Físico de Leiden, cuyos artículos se publicaban en inglés o, m enos frecuentem ente, en francés y alem án. Los artículos eran generalm ente traducciones o revisiones de artículos publicados en las Actas de la Real Sociedad (de A m sterdam ) y se re im prim ían m uchas veces en revistas extranjeras. Tanto si había participado directam ente en la investigación com o si no, K am erlingh O nnes consideraba tener el derecho, com o director, de aparecer com o coautor de todas las publicaciones que salían del laboratorio , una política que podría explicar su sorprendente productiv idad de artículos científicos.


Según el laboratorio ascendía para convertirse en el principal centro m undial de fí- sica de bajas tem peraturas, atraía un núm ero cada vez m ayor de visitantes que querían utilizar sus instalaciones únicas. Siem pre que se necesitaba investigar u n fenóm eno a m uy bajas tem peraturas, Leiden era el sitio para hacerlo, y existieron m uchos fenóm e- nos así. Para m encionar sólo unos pocos ejem plos, en los prim eros años del nuevo siglo, M arie C urie realizó experim entos en Leiden para m edir si la vida m edia de las sustancias radiactivas se veía influida p o r el ؛rio extrem o. (Pierre C urie investigó el m ism o problem a, pero fue a Londres a trabajar con Dewar.) En 1 9 0 8 Jean Becquerel de París exam inó el com portam ien to de fenóm enos m agneto-ópticos hasta 14 K y halló que los experim entos con hidrógeno líquido apoyaban sus controvertidas hipótesis sobre los electrones positivos. Becquerel y, nom inalm ente, K am erlingh O nnes concluyeron que «las observaciones en hidrógeno líquido parecen proporcionar un ftrerte apoyo al argum ento a favor de la existencia de electrones positivos» (Kragh 1 9 8 9 , P . 2 1 7 ) . Esta vez, K am erlingh O nnes probablem ente se arrep in tió de su autom ática coautoría. El «ftrerte apoyo» no fue aceptado po r o tros físicos que declinaron aceptar la existencia de electrones positivos.

La identidad del laboratorio de Leiden no estaba form ada sólo de edificios, aparatos y organización, sino tam bién del tipo de credo m etodológico que se derivaba de la perspectiva de la ciencia de su director. Se pon ía gran énfasis en el valor de m edidas cuantitativas y precisas, ya que se m anten ía que éstas eran la esencia de la ciencia, m ientras que la teoría y observaciones cualitativas se consideraban m enos im portantes. En 1 8 8 2 , en su clase inaugural en la U niversidad de Leiden, K am erlingh O nnes ex- presó el credo de esta m anera: «De acuerdo con m i pun to de vista, perseguir investigaciones cuantitativas, es decir, establecer relaciones entre m edidas y fenóm enos, debería tener preferencia en la práctica experim ental de los físicos. Por la medida hacia el conocimiento [door meten ؛ ؛٠ weten], m e gustaría escribir com o lem a sobre la entrada de todos los laboratorios de física» (C asim ir 1 9 8 3 , p. 1 6 0 ) . Esta actitud, una parte im portan te del espíritu de Leiden, era po r supuesto com partida po r o tros científicos adem ás de K am erlingh O nnes. El énfasis en las m edidas cuantitativas era una caracte- rística típica de la física de entre siglos. Al físico alem án Friecirich Kohlrausch, un im - portan te organizador de institu tos físicos y escritor de libros de textos influyentes, se le conocía com o «el m aestro de ط física de la m edida». De acuerdo con Kohlrausch, la m edida estaba en el corazón de la física. «M edir la naturaleza es una de las actividades características de nuestro tiem po», proclam ó en 1 9 0 0 (C ahan 1 9 8 9 , p. 1 2 9 ) . La actitud de Kohlrausch y K am erlingh O nnes estaba extendida entre los experim entales y quizá en particu lar entre los espectróscopos. Por ejem plo, quedó expresada m uy claram ente p o r el com ité Nobel en 19 0 7 , cuando el prem io fue entregado a M ichelson: «En cuan- to a la física, se ha desarrollado notablem ente conio una ciencia de precisión, de tal m a- ñera que podem os afirm ar justificadam ente que la m ayoría de los grandes descubrí- m ientos en física están basados en su m ayor parte en el alto grado de precisión que puede obtenerse ahora en m edidas tom adas du ran te el estudio de los fenóm enos físi- COS. [La precisión de l a m edida] es la auténtica raíz, la condición esencial, de nuestra


penetración en ،as profundidades de ؛as leyes de la física, nuestra fínica vía hacia nuevos descubrim ientos» (H olton 1988, p. 295).

La predilección p o r la m edida de alta precisión no im plica necesariam ente una de- valuación de la teoría ni de la observación. En algunos casos, los experim entos pueden parecer justificados po r sí m ism os, pero en otros se consideraban dirigidos a propósi- tos más elevados, com o el descubrim iento y el avance del en tendim ien to de la naturaleza. Entre siglos, se argum entaba a m enudo que las m edidas de precisión conducirían a fenóm enos cualitativam ente nuevos y de este m odo proporcionaría una transform a- ción dialéctica de cantidad en cualidad (por usar una expresión m arxista clásica). Esto es lo que el com ité del Nobel sugirió al p resentar el p rem io a M ichelson, y era cierta- m ente una idea nada extraña para el físico estadounidense. En un com entario de 1902 sobre las leyes fundam entales de la física y la posibilidad de descubrim ientos futuros escribió: «Se ha encontrado que existen aparentes excepciones a la m ayoría de estas leyes, y esto es cierto en particu lar cuando se llevan las observaciones al lím ite, es decir, cada vez que las circunstancias del experim ento son tales que se pueden exam inar casos extremos». Tras m encionar algunos ejem plos así, M ichelson continuaba, «se po- drían m encionar otros m uchos ejemplos, pero éstos son suficientes para justificar la afirm ación de que «nuestros descubrim ientos fu turos deberán buscarse en la sexta po- sición decimal». Se sigue que todo m étodo que facilite la precisión de la m edida es un posible factor en el descubrim iento futuro» (M ichelson 1902, p. 24). Esto es lo que se ha denom inado «el rom ance del sexto decimal»: la creencia o esperanza de que si los científicos conocen u n dom inio de la naturaleza hasta cierta escala, u n increm ento en el poder de observación que proporcione acceso a un escala ligeram ente superior pueda llevar a nuevos y espectaculares resultados. Si los científicos con tinúan realizando sus experim entos de m anera un poco más sofisticada, con más precisión, a energías m ás altas, tem peraturas más bajas, más resolución, y en consecuencia a m ayor coste, valdrá claram ente la pena. N aturalm ente, el proceso no es autom ático, no hay garantía de que un m ayor precisión o gam a experim ental vaya a conducir a descubrim ientos, ? o r o tro lado, el pun to de vista de M ichelson de hecho tenía ciertam ente u n a base; es decir, estaba apoyado en la historia de la ciencia. La física posterio r ha continuado pro- porcionando evidencias a favor del rom ance del sexto decimal. M ichelson claram ente veía que su experim ento sobre la corriente del éter, que de acuerdo a él condujo a la teoría de la relatividad, pertenecía a esta clase. El descubrim iento de la superconducti- v idad en 1911 es quizá un ejem plo aún mejor.

La filosofía de Leiden de que la m edida conducía al conocim iento se ha denom inado «fenom enalism o sofisticado» y debería distinguirse del crudo em pirism o en el que los experim entos reem plazan, en vez de servir de suplem ento a la labor teórica. A pesar de su énfasis en experim entos de precisión, el program a de investigación de Ka- m erlingh O nnes estaba relacionado con ط teoría. Lo que puede parecer una obsesión con la conquista de nuevas gamas de bajas tem peraturas no estaba m otivado tan sólo p o r sim ple curiosidad o p o r un deseo de reclam ar territo rio ignoto antes que sus com - petidores (aunque estos factores tuvieron sin duda su papel). Al contrario que Micfíel-


>)n y otros archiexperim entales, K am erlingh O nnes contaba con una sólida educación en m atem áticas y estaba pro fundam ente inspirado p o r teóricos holandeses com o Lo- rentz y Johannes van der Waals. Antes de iniciar su gran p rogram a en críogenia, había trabajado en term odinám ica y física m olecular, y estaba especialm ente interesado en com probar las consecuencias de la teoría m olecular de Van der Waals. En 880 ا Van der Waals había form ulado la «ley de estados correspondientes», que K am erlingh O nnes ;esarro lló independien tem ente al año siguiente. De acuerdo con esta ley, todas las sus- :ancias obedecen a la m ism a ecuación de estado cuando su presión, tem pera tu ra y ٧٠- am en se expresan com o m últiplos de los valores que estas variables tienen en el pun-

to crítico. En 1894 K am erlingh O nnes form uló de m anera clara la base teórica para em barcarse en u n program a de licuefacción de gases: «Me vi encam inado a trabajar con gases condensados debido al estudio de la ley de estados correspondientes de Van ie r Waals. M e parecía altam ente deseable analizar las líneas isotérm icas de los gases

' especialm ente del h idrógeno, a m uy bajas tem peraturas» (Gavroglu y G oudaroulis 1989, p. 51). El m ism o mensaje, la ín tim a conexión entre los experim entos a bajas te m p e ra tu ra s de I.eíden y las teorías de Van der Waals, estaba contenido en afirm دل ación de K am erlingh O nnes en 1908 arriba citada, después de conseguir licuar el helio con éxito.

$uperconduct؛vidad

Una de las propiedades investigadas en el laboratorio de Leiden era la conductividad eléctrica en los metales. La teoría generalm ente aceptada entonces se basaba en u n trabajo que el físico alem án 1الآل D ا rude había publicado en 1900, en gran parte la misma teoría que se presenta hoy en día en los libros de texto de nivel universitario. D rude sugirió que la conducción m etálica era el resultado del m ovim iento de electrones libres bajo la influencia de un cam po eléctrico externo, y que los electrones que originalm ente supuso llevaban cargas tan to positivas com o negativas, ten ían propiedades com o las de un gas. En un m etal, los electrones de conducción se suponían en equilibrio térm ico con los iones y átom os neutros. Suponiendo po r sim plicidad que todos los electrones poseen la m ism a velocidad técnica u, y que u es m ucho m ayor que la velocidad de flujo, D rude derivó para la conductividad eléctrica (la inversa de la resistividad) una expresión de la form a CT = e2nXT~1/2; aquí, X es el cam ino libre m edio y n el núm ero de electrones libres po r un idad de volum en. En 1905 Lorentz desarrolló una teoría m ás sofisticada sustituyendo la suposición poco realista de electrones de igual velocidad p o r velocidades electrónicas d istribuidas de acuerdo a la ley de Max-

" Sin em bargo, tras largos cálculos, llegó a una fórm ula que difería dela de D rude sólo en u n factor num érico. La teoría de la conducción eléctrica se conti- nuó desarrollando en versiones aun m ás sofisticadas de j. ١. T hom son, O wen Richard- son, Niels Bohr y otros. En estas versiones, de 1910 a 1915, los electrones en u n conductor m etálico se concebían com o u n gas o vapor que satisfacían la ley de los gases ideales. Se esperaba de esta m anera encon trar u n m ecanism o para la interacción entre


electrones y átom os del m etal que explicara la ley de radiación del cuerpo negro; sin em bargo no se encontró una explicación satisfactoria y las teorías electrónicas no obtuvieron más éxito a la h o ra de explicar con precisión la variación de la resistencia con la tem peratura.

Se sabía experim entalm ente que la resistencia de los m etales puros variaba proporcionalm ente con la tem pera tu ra absoluta, es decir, a ~ T~l , al m enos p o r encim a de los 20 K. £sto presentaba u n problem a, ya que estaba de acuerdo con la fórm ula de D rude-Lorentz sólo si se suponía arb itrariam ente que nk ~ □ y ni la teoría de , أ’~ن/ا rude ni sus sucesoras eran capaces de calcular n y X com o funciones de T. Además, exper؛- m entos realizados a m uy bajas tem peraturas duran te la p rim era década del siglo estaban en desacuerdo tan to con la dependencia de T~1/2 com o con la de T"1. Investigado- nes realizadas por Dewar y otros sobre la dependencia de la resistencia con la tem pera tu ra en un en to rno del pun to de ebullición del h idrógeno indicaban que la resistencia com o fdnción de la tem pera tu ra presentaba una tendencia a aplanarse para tem peraturas m uy bajas. Esto se tom ó com o una im plicación de una de dos posibilidades: o bien la resistencia tendería a un valor d istin to de cero asintóticam ente, o al- canzaría un m ín im o y entonces, para tem peraturas incluso m ás bajas, se increm enta- ría indefinidam ente. Se suponía de m anera general que la segunda posibilidad estaba bien de acuerdo con la teoría. Cerca del cero absoluto se suponía que los electrones libres «se congelarían» y se condensarían sobre los átom os; entonces la densidad de electrones libres tendería a cero y, de acuerdo con la fórm ula de D rude-Lorentz, la resistencia se increm entaría drásticam ente. K am erlingh O nnes, entre otros, encontraba esta hipótesis atractiva. En 1904 la describió com o sigue:

Parece com o si el vapor de electrones que llena el espacio del m etal a bajas tem pera-

tu ras se condensa m ás y m ás sobre los átom os. Por lo tan to , la conductiv idad , com o Kel-

v in expresó p o r p rim era vez, alcanzará un m áxim o a una tem p era tu ra m uy baja, dism i-

n u irá entonces de nuevo hasta que se alcance el cero absoluto, en el cual u n m etal no

conduciría en absoluto, igual que u n vidrio . La tem p era tu ra del m áxim o de la conduc-

tiv idad [se encuentra] p robab lem ente varias veces p o r debajo de la del h idrógeno líqui-

do. A u n a tem p era tu ra m ucho m en o r aún , no quedaría n ingún elec trón libre, la eiectti-

c idad estaría congelada, p o r así decir, en el m etal. (D ahl 1984, p. 6)

A rm ado con sus cantidades de helio líquido recientem ente producidas, Kamerlingh O nnes decidió en 1910 exam inar la cuestión de m anera sistemática. Los experim entos se efectuaron en colaboración con Cornelis D orsm an y Gilíes Holst, y fue Holst quien realm ente llevó a cabo las m edidas. Sin em bargo el artículo fue firm ado sólo p o r Ka- m erlingh O nnes. Los holandeses al princip io utilizaron una resistencia de platino }· com pararon sus datos con m edidas anteriores de resistencias de oro de pureza conocí- da. Los resultados hicieron que K am erlingh O nnes concluyera, «parece que deseen- d iendo a tem peraturas de helio la resistencia dism inuye aun m ás, pero que cuando estas tem peraturas se alcanzan, la resistencia adquiere un valor constante bastante


independiente de ؛٤١ tem pera tu ra individual a ظ €اائال ha sido llevada» ( ibid.). Se dio cuenta de que incluso las pequeñas im purezas podian afectar al resultado significativam ente y creyó que éstas enm ascaraban la verdadera variación de la resistencia con la tem peratura. O bservando que la m uestra más rica en oro m ostraba m enos resistencia que la o tra, sugirió que la resistencia de los metales puros se haría cero asintóticam ente cuando la tem peratura se aproxim ara a cero y sería prácticam ente cero a 5 K. Ésta era una suposición arriesgada y, com o la m ayoría de las suposiciones arriesgadas, era falsa.

En los nuevos experim entos de 1911 se usó m ercurio, que se podía ob tener en una form a altam ente purificada. U n experim ento inicial, anunciado en abril, parecía confirm ar la sospecha de K am erlingh Onne^ sobre una resistencia que se anulaba a$intó- ticam ente, ?ero cuando se llevaron a cabo experim entos más precisos al mes siguiente, éstos m ostraron una variación que era totalm ente inesperada: u n cam bio abrupto a resistencia cero a una tem pera tu ra cercana a 4,2 K (gráfico 6.1). En su discur,؟© del Nobel de 1913, K am erlingh O nnes describió el descubrim iento com o sigue: «El expe-

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0,015

Gráfico 6.1. La superconductividad al descubierto: curva de Kamerlingh Onnes de 1911 de resistencia de mercurio versus temperatura.


rim ento no dejaba duda de que, den tro de la precisión de la m edida, la resistencia de- saparecía. Al m ism o tiem po, sin em bargo, sucedía algo inesperado. La desaparición no tenía lugar gradualm ente sino abruptamente. Desde 1/500 la resistencia a 4,2 K cae a una m illonésim a parte. A la tem pera tu ra m ás baja, 1,5 K, se p u d o establecer que la resistencia había pasado a ser m enos que una diezm illonésim a parte de la correspondiente a tem pera tu ra norm al. Así pues, el m ercurio a 4,2 K ha en trado en u n nuevo estado, el cual, debido a sus propiedades eléctricas particulares, puede ser denom inado estado de uperco n d u ctiv id ad » . Experim entos adicionales efectuados entre ل9لل y 1913 p robaron que la superconductiv idad del m ercurio era definitiva, m ientras que ni el platino ni el oro m ostraban un com portam ien to similar. Sin em bargo, el m ercurio no era una anom alía, ya que en diciem bre de 1912 resultó que el estaño y el p lom o eran tam bién superconductores; la desaparición de la resistencia se encontró en 3,78 K para el estaño y 6,0 K para el plom o. Al contrario de lo que se esperaba, se vio que las im - purezas no tenían ningún efecto en el nuevo fenóm eno. Además, quedó definitiva- m ente confirm ado que la desaparición de la resistencia ocurría ab rup tam ente y que las «rodillas» en la curva de resistencia eran efectos '

El té rm ino «superconductividad» apareció p o r p rim era vez en un artículo escrito por Kam erlingh O nnes a com ienzos de 1913. A hora había un nom bre para el desconcertante fenóm eno, pero había una total falta de en tendim iento de lo que el nom bre ocultaba. D urante u n tiem po, K am erlingh O nnes no se dio cuenta del todo de la novedad del fenóm eno y continuaba considerándolo un caso extrem o de conducción eléctrica ordinaria, es decir, den tro del m arco de la teoría de D rude-Lorentz. Q u؛zá> pensaba, estaba causado p o r un brusco increm ento en el cam ino libre m edio de los electrones. Esta idea, ju n to con los resultados obtenidos para el p lom o y el estaño le lie- varón a creer que la superconductiv idad podría ser un estado general a bajas tem peratu ras para todos los metales, ?ero éste era u n asunto que sin duda había que decidir experim entalm ente, y los experim entos probaron que la superconductividad estaba li- m itada a unos cuantos elem entos. D entro del área de la superconductiv idad experi- m ental se progresó rápidam ente, a pesar de la falta de en tendim iento teórico. En 1913 se construyó el p rim er im án superconductor en Leiden y en 1914 K am erlingh O nnes y su equipo com enzaron un estudio del efecto de fúertes cam pos m agnéticos en el estado superconductor. Una nueva d iscontinuidad apareció, en concreto, la existencia de un cierto valor crítico del cam po po r encim a del cual la resistencia nula desparecía de m anera ab rup ta y m isteriosa. Se com probó que la fuerza del cam po crítico se incre- m entaba a tem peraturas más bajas. El efecto de un cam po m agnético supercrítico te- nía p o r lo tan to el m ism o efecto que calentar el metal. Y otro nuevo fenóm eno se dejaba para los desconcertados teóricos.

Se afirm a a veces que K am erlingh O nnes tam bién descubrió la superfluidez en 1911. La débil base de esta afirm ación es que el g rupo de Leiden realizó m edidas de la variación de la densidad del helio líquido con la tem pera tu ra y obtuvo resultados que sugerían una densidad m áxim a cercana a los 2,2 K. Sin em bargo, el cam bio brusco en densidad -u n a m anifestación de la superfluidez del h e lio - quedó establecido tan sólo


varios años tras la ? rim era G uerra M undial, en 1924. Incluso entonces, K am erlingh O nnes no lo consideró un fenóm eno particu larm ente interesante que m ereciera un estud io detallado: aunque lo que observara en 1911 era realm ente una propiedad super- fluida, hicieron falta m uchos años hasta que quedó claro que era u n a m anifestación de u n fenóm eno genuinam ente nuevo. La observación es una precondición necesaria pero no suficiente para el descubrim iento, y fue sólo en 1938 cuando la superfluidez consiguió el estado de descubrim iento.

A unque el descubrim iento de la superconductiv idad fue un brillante pico en el trabajo del laboratorio de Leiden, fue sólo una parte de m uchas en u n program a de ؛ه - vestigación de am plias m iras. Lamo antes com o después de 1911, K am erlingh O nnes y su g rupo pasaban la m ayor parte del tiem po investigando otras propiedades a bajas tem peraturas, incluyendo el efecto Hall, la piezoelectricidad ط, ley de Curie, la m agne- to-óptica y la radiactividad. Fue p o r «sus investigaciones de las propiedades de la m ateria a bajas tem peraturas que condujeron, entre otras, a la producción de helio liquido» po r lo que K am erlingh O nnes obtuvo el prem io Nobel en 1913. La superconductividad, en retrospectiva con m ucho el descubrim iento más im portan te , no se m encionaba ex- lícitam(؛ ente en el discurso de presentación. El hecho de que la superconductiv idad no causara una conm oción tam bién quedó reflejado en el p rim er congreso Solvay en 19! I, que tuvo lugar m edio año después del descubrim iento. En Bruselas, K am erlingh O nnes p roporcionó u n a explicación detallada sobre m edidas de la resistencia eléctrica en el cual sugirió vagam ente que la desaparición de la resistencia pod ría explicarse con la ayuda de la teoría cuántica. En su discurso del Nobel sugirió de m anera sim ilar que la superconductiv idad podía estar conectada con «la energía de los vibradores de Flanck». El breve debate que siguió a la explicación de Solvay, lim itada a una pregunta de ?au l Langevin, indica que los físicos reunidos en Bruselas no estaban particular- m ente interesados en el fenóm eno.

R ápidam ente tras el descubrim iento de 1911 aparecieron in tentos de aplicar la teo- ría cuántica para desarrollar una teoría m ejorada de la conducción eléctrica, y así explicar la superconductividad. U na de las teoría,؟ más prom etedoras, propuesta po rW ilhelm W ien en 1913, se basaba en la suposición de que la conducción eléctrica estuviera esencialm ente determ inada por el cam ino libre m edio de los electrones. A bajas tem - peraturas, la teoría cuántica de W ien llevaba a una dependencia cuadrática de la resistencia con la tem peratura, pero no conseguía explicar la abrupta caída en la resistencia de los m etales superconductores. O tras aplicaciones de la teoría cuántica sugerida por Keesom en 1914 y Frederick L indem ann en 1915 no tuvieron m ás éxito. ¿Cuál era la causa del ab rup to cam bio en la resistencia? ¿Por qué estaba el fenóm eno restringido a unos pocos de los m etales en la tabla periódica? La teoría no lo podía explicar; sin e¡n- bargo, a pesar del fracaso, no había un sentim iento de crisis debido a la anom alía.

Si la superconductividad no se podía en tender teóricam ente, quizá podría usarse tecnológicam ente. En su origen, los físicos de Leiden se dieron cuenta de la posibilidad de constru ir poderosos electroim anes superconductores, en los que no hubiera pérdi- da por calor incluso para corrientes m uy altas. Estos poderosos im anes no eran sólo in-


teresantes científicam ente, sino que tam bién serían de gran utilidad en la industria electrotécnica. Resultó sin em bargo que los fuertes cam pos m agnéticos actuaban en contra del estado superconductor; el sueño de los ' tuvo por tantoque ser archivado, al m enos p o r el m om ento. A princip ios de 1 1 4 و , se realizaron experim entos con un anillo de p lom o superconductor al cual se le aplicó u n cam po mag- nético variable de una firerza de hasta 10 kilogauss. A pequeñas fuerzas del cam po la resistencia era cero, pero a u n valor crítico de unos 600 gauss ia resistencia se incre- m entaba espectacularm ente, de u n a m anera análoga a la variación de la resistencia con la tem peratura. «La resistencia se increm enta [...] com o si la introducción del cam po mag- nético tuviera el m ism o efecto que calentar el conductor», escribió K am erlingh Onnes. Un exam en más detallado de la relación entre resistencia y cam po m agnético tuvo que esperar hasta los años veinte. C on la llegada de la P rim era G uerra M undial, el sum i- nistro de helio a Leiden se cortó tem poralm ente y, sin helio liquido, no se podían estud iar experim entalm ente ni la superconductividad ni o tros fenóm enos a tem peraturas p o r debajo de 5 K.

Los experim entos a bajas tem peraturas en Leiden con tinuaron después de que la guerra te rm inara y se aseguraran nuevos sum inistros de helio. En 1919 se estableció que o tros dos m etales, el talio y el uranio, eran superconductores. Se com probó que las tem peraturas de desaparición eran 2,32 K para e؛ talio y unos 7,2 K para el uranio . Por el lado teórico, siguieron los in tentos de entender el fenóm eno, pero desde luego no se progresaba. Las prim eras dos conferencias de Solvay tras la guerra pueden ilustrar el estado poco satisfactorio del conocim iento de la superconductividad. En la conferencia de 9ل ا2 K am erlingh O nnes im partió un sem inario sobre «los superconductores y el m odelo de Rutherford-B ohr», en el cual inform aba sobre los últim os experim entos de Leiden. Sugirió que la superconductiv idad era u n fenóm eno no clásico que sólo po- día entenderse en térm inos del á tom o cuántico de Bohr, pero ni K am eriingh O nnes ni otros pod ían decir de qué m anera. Resum ía su inform e con ocho preguntas, que in- d u ía n «dado que los átom os de R utherford-B ohr se u n en p ara fo rm ar هو m eta\, ،qué sucede con sus electrones■؛ ¿Pierden to d a o sólo parte de su energía cinética?».

El tem a del cuarto congreso de 1924 fue «la conductividad eléctrica de los metales» y en é؛ varios participantes discutieron sobre superconductividad. Lorentz, que habió sobre la teoría electrónica de los metales, concluyó con vaguedad que las órbitas elec- trónicas en los estados superconductores deben ser irregulares o «particulares». Ka- m erhngh O nnes discutió u n a posible conexión entre las teorías eiectrónicas de ios po- eos elem entos superconductores de acuerdo con la nueva teoría de Bohr para el sistem a periódico, i.angevin sugirió que la desaparición discontinua de la resistencia era quizá el resultado de u n cam bio de fase en el m aterial. Al parecer, no tenía constancia de que la sugerencia ya se había com probado experim entalm ente en Leiden, donde los análisis con rayos X de Keesom probaron que no había cam bio de fase. Owen R ichardson p ropuso un m odelo de acuerdo al cual ؛os electrones se m overían libre- m ente a ،o largo de órbitas tangentes entre sí y Auguste Piccard se preguntaba si quizá los relám pagos eran un fenóm eno superconductor a tem peraturas norm ales.


Las d؛scusi©ne$ de Solvay y otros in tentos contem poráneos para en tender la superconductividad hicieron que el tem a estuviera más cerca de una explicación que antes de la guerra. C om o Einstein escribió en 1922, en su única contribución a la literatura sobre superconductividad, «con nuestra am plia ignorancia sobre la m ecánica cuántica de sistemas com puestos, estam os lejos de ser capaces de com poner una teoría con estas vagas ideas. Sólo podem os apoyarnos en los experim entos» (Dahl 1992, p. 106). ?٠٢ cierto, ésta es posiblem ente la p rim era vez que el té rm ino «mecánica cuántica» apare- cía en una publicación científica.

C uando la am plia ignorancia sobre m ecánica cuántica dism inuyó drásticam ente después de 1925, resultó que u n en tendim iento teórico de la superconductividad no se seguía de m anera sencilla de la nueva teoría de los cuantos. La superconductiv idad re- ribió al final una explicación m ecánico-cuántica satisfactoria, pero hizo falta m ucho tiem po y m uchos in tentos fallidos hasta que el extraño fenóm eno fuera to talm ente entendido. U na teoría fenom enológica fúe desarrollada en 935ل p o r los herm anos Fritz y Heinz London, y en 1957 la su ^ rc o n d u c tiv id a d fúe finalm ente explicada en térm inos microscópicos po r los estadounidenses John Bardeen, León C ooper y Robert Schríef- t'er. Exam inarem os este desarrollo posterio 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 óptica del siglo xix. C on el éxito de b teoría ondulatoria de la luz de A ugustin Fresnel, tom ó relieve el problem a de los cuer- j pos m oviéndose a través del éter. De acuerdo con una teoría que Fresnel había propuesto en 1818, un cuerpo m óvil transparen te arrastraría parcialm ente al éter. En tal ١ caso, la velocidad de la luz que se propagara a través de u n cuerpo que se m ueva coz una velocidad v relativa al éter sería m odificada p o r una fracción de la velocidad d d J cuerpo, que dependería de la cantidad v/c, donde c es la velocidad de la luz en el vacie La teoría de Fresnel explicaba un gran núm ero de experim entos ópticos posteriores, j que m ostraban que era im posible detectar, al p rim er orden en v/c, el m ovim iento de b ١ tie rra a través del éter. C uando las teorías elásticas de la luz se reem plazaron p o r la teo- ría electrom agnética de Maxwell, la situación era la misma: cualquier teoría de la elec- i tro d in ám ica de cuerpos m óviles ten ía que inc lu ir el «arrastre de Fresnel». En sa ١ p rim era teoría electrónica de la teoría de Maxwell, publicada en 1892, Lorentz interpretaba el arrastre de Fresnel com o un resultado de la interacción de la luz y las paro- j culas cargadas («iones», m ás tarde electrones) en el cuerpo móvil. Sin em bargo, Lo- rentz estaba preocupado por que su teoría no fuera capaz de explicar un experimente que el físico am ericano A lbert M ichelson y su colaborador Edward M orley habían reali- 1 zado cinco años antes y que Michelson había realizado po r prim era vez en 1881.

El fam oso experim ento de M ichelson-M orley en 1887 fue un in ten to de m edir eí I m ovim iento de la tierra relativo al éter m ediante una técnica de in terferom etría avan- j zada. El experim ento se desarrolló en la Case School for Applied Science en Cleveland- j Ohio, donde M ichelson era profesor de física. Se esperaba que no se detectaran efecto؛ de p rim er orden, pero el experim ento de M ichelson-M orley tenía una precisión de se- j gundo orden, es decir, con dependencias de la m inúscula cantidad (v/c)2. Según la teoría de Lorentz, el arrastre del éter debería ser detectable a este orden de precisión, al ١

La relatividad de Einstein y de otros 87

contrario del resultado nulo del experim ento. La falta de un m ovim iento detectable de ،a tierra a través del éter m undial fue u n a sorpresa tan to para teóricos com o para ex- ?■erimentales. En vez de aceptar el resultado, duran te u n tiem po M ichelson consideró di experim ento u n fracaso. «Dado que el resultado del experim ento original fue negativo, el problem a todavía requiere u n a solución», m anten ía (H olton 1988, p. 284). El desacuerdo entre teoría y experim entación causó que Lorentz m odificara su teoría suponiendo lo que más tarde se denom inó la contracción de Lorentz, es decir, que la lon- d tu d de un cuerpo que se m ueva en la dirección de la tie rra se reducirá en u n factor - = (1 - P2)-1/2 o, a segundo orden de (3 = v/c, 1 - j2/ A la can .؛؛2 tidad y se la conoce com o el factor de Lorentz. Sin que Lorentz lo supiera, el físico irlandés George FitzGerald ha ría propuesto una explicación sim ilar en 1889, aunque sin inclu ir la fórm ula; por esta razón, a veces se denom ina com o la contracción de FitzGerald-Lorentz. Tanto FitzGerald com o Lorentz suponían que la h ipotética contracción estaba causada p o r cam bios en las fuerzas m oleculares, pero en ese m om ento n inguno de los dos podía p roporc io nar una explicación de la suposición.

La prim era explicación del resultado de M ichelson p o r parte de Lorentz fue claramente ad hoc y ni siquiera estaba basada en su teoría electrodinám ica. D urante la siguiente década avanzó m ucho en el desarrollo de la teoría, y en 1899 el teórico holandés fue capaz de derivar la contracción en longitud a partir de fórm ulas de transform ación más generales entre las coordenadas de u n cuerpo que se m ueve a través del éter y las de uno que está en reposo con respecto al éter. Lorentz escribió estas transform aciones en una form a más com pleta en 1904, la m ism a form a en la que las conocem os hoy, pero no fue, sin em bargo, el p rim ero en publicar las «transform aciones de Lorentz» completas. C om o una transform ación pu ram ente m atem ática, se pueden encon trar en un trabajo sobre el efecto D oppler publicado p o r W oldem ar Voigt ya en 1887. M ás al caso, en 1900 Larm or derivó las ecuaciones a p a rtir de su propia versión de la teoría electrónica. M ediante las transform aciones de Lorentz-Larm or, el resultado nulo del experim ento de M ichelson-M orley se podía explicar fácilm ente. De hecho, se seguía de la teoría de Lorentz que no podían existir efectos detectables de u n m ovim iento u n iform e a través del éter, no solam ente al segundo orden en v/c, sino tam bién a todos los órdenes.

Las transform aciones de Lorentz constituyeron el núcleo form al de la teoría especial de relatividad, y en una prim era im presión podía p o r tan to parecer que la teoría de Einstein había sido precedida p o r las teorías electrónicas de Lorentz y Larmor. Sin embargo, esto no fue así en absoluto. A pesar de haber obten ido las m ism as transfo rmaciones que Einstein en 1905, Lorentz las in terpretaba de una m anera m uy diferente. Prim ero, la teoría de Lorentz era dinám ica, ya que las transform aciones se podían derivar de una causa física: la interacción entre el éter y los electrones del cuerpo en m ovim iento. La contracción en longitud se veía com o un efecto de com pensación que se debía al m ovim iento del cuerpo a través del éter. La tierra, según Lorentz, se m ovía realm ente a través del éter, sólo que el viento del éter no era m ensurable, de acuerdo con el resultado de M ichelson. En segundo lugar, el éter de Lorentz era u n a parte esen-


cial de su teoría, ya que funcionaba com o un m arco de referencia absoluto, Por ejem- pío, m anten ía (de m anera im plícita en 1904 y explícita en 1906) la existencia de la si- m ultaneidad absoluta. £1 hecho de que esto concepto no esto de acuerdo con las Ínter- pretaciones m odernas de la transform ación del tiem po sólo pone de m anifiesto la diferencia entre las teorías de Lorentz y Linstein. £ ٨ am bas teorías, la transform ación se escribe vx/c1), siendo ا ' el tiem po en el sistem a que se m ueve con veloci-dad V con respecto al sistem a (x,t). ?ero Lorentz consideraba esta transform ación una herram ien ta m atem ática, y que el «tiem po local» t ’ no tenía significado real. Sólo exis- tía, creía él, un tiem po real t (que él llam aba tiem po general). O tro aspecto en la diferencia de in terpretaciones era que Lorentz no llegaba a la fórm ula relativista para la sum a de velocidades, la cual, en el m arco relativista, se sigue directam ente de las transform aciones cinemáticas.

A unque Lorentz, Larm or y la m ayoría de los dem ás físicos seguían apegados al éter y los conceptos asociados de espacio y tiem po absolutos, tam bién había voces disidentes. £ rn s t Nlach había criticado fuertem ente el concepto de Newton de espacio absolu- to, y su crítica, de base filosófica, era bien conocida, por supuesto tam bién p o r el joven £instein. M ach tam bién criticaba la noción de N ew ton de un tiem po absoluto (com o otros antes que él), que m antenía era m etafísica ya que no se apoyaba ni en la experiencia ni en la intuición. Refiriéndose a la crítica de M ach de la cosm ovisión m ecáni- ca en su libro The Science ofM echanics de 1889, Einstein recordaba en sus notas auto- biográficas que «este libro ejerció sobre m í una profiinda influencia a este respecto cuando era estudiante» (Schilpp 1949, p. 21).

N ingún boceto de la prehistoria de la relatividad, p o r breve que sea, puede evitar m encionar a H enri ?oincaré a la vez que a Lorentz. Basándose en su concepción con- vencionalista de la ciencia, sobre 900 ا el m atem ático francés preguntaba si a la sim ultaneidad de dos eventos se le podía otorgar algún significado objetivo. Ya en 1898 es- cribió, «la luz tiene una velocidad constante [...] esto postulado no puede ser verificado m ediante la experiencia [...] proporciona una nueva regla para ظ definición de sim ultaneidad» (Cao 1997, p. 64). Dos años después, en el congreso m undial de física de Pa- rís, Poincaré discutió sobre si el éter realm ente existía. A unque no respondió negativa- m ente a la pregunta, era de la op in ión de que el éter era com o m ucho un m arco abstracto de referencia al cual no podían adscribirse propiedades físicas. £ ٨ su Science andH ypothesis de 1902, Poincaré declaraba que la cuestión del éter era metafísica, sim- plem ente una hipótesis cóm oda que algún día se rechazaría com o inútil. En su com u- nicado al congreso de San Luis en 1904, exam inó críticam ente la idea de m ovim iento absoluto, postufo que el tiem po focal de Lorentz ( t’) no era m enos irreal que su tiem - po general (t) y form uló lo que denom inó el principio de relatividad, es decir, la im - posibilidad de detectar el m ovim iento un iform e absoluto. Vale la pena citar su form u- lación de 1904: «De acuerdo al Principio de la Relatividad, las leyes de los fenóm enos físicos deben ser las m ism as para un observador “fijo” que para un observador que tiene un m ovim iento de traslación uniform e con respecto a él [...] debe obtenerse un tipo de dinám ica to talm ente diferente, que se caracterizará p o r encim a de todo p o r la regla


de que n inguna velocidad puede sobrepasar la velocidad de la luz» (Sopka y Moyer 1986, p. 293). H asta este punto , la intervención de Poincaré en la discusión había sido program ática y semifilosófica. En el verano de 1905, sin conocer el inm inente artículo de Einstein, desarrolló una teoría electrodinám ica que en m uchos aspectos iba m ás allá de la de Lorentz. Por ejem plo, com probó la ley relativista de sum a de velocidades, cosa que Lorentz no había hecho, y tam bién p roporcionó la fórm ula de transform ación correcta para la densidad de carga. Además de reform ular el princip io de la relatividad com o «una ley general de la naturaleza», Poincaré m odificó el análisis de Lorentz y probó que las transform aciones de Lorentz form an u n g rupo con la im portan te p ro piedad de que la m agnitud x 2 + y 2 + z2 - ،٠٧ es invariante, es decir, perm anece igual en cualquier m arco de referencia. Incluso se dio cuenta de que el invariante se podía escribir en la form a sim étrica x 2 + y2 + z2 + t 2 sise in troducía la coordenada para el tiem po im aginario t = icí. La teoría de Poincaré fue una im portan te m ejora, una teoría de la relatividad, de hecho, pero no la teoría de la relatividad. De m anera extraña, el m atem ático francés no prosiguió con sus im portan tes pesquisas ni m ostró n ingún interés en la teoría de la relatividad de Einstein desarrollada sim ultáneam ente p o r éste.

La relatividad de Einstein

C uando Albert Einstein, con 26 años, construyó la teoría especial de la relatividad en jun io de 1905, era un desconocido en la com unidad física. El artículo que envió a Annalen der Physik era notable en m uchos aspectos, aparte p o r supuesto de su estatus posterior com o trabajo que revolucionó la física: p o r ejem plo, no incluía una sola referencia y p o r lo tan to oscurecía las fuentes de la teoría, u n asunto que ha sido investigado por historiadores de la ciencia posteriores. Einstein no estaba fam iliarizado con la literatura y llegó a su teoría de m anera absolutam ente independiente. Conocía algo de los trabajos no técnicos de Poincaré y del trabajo de Lorentz de 1895, pero nada de la derivación de Lorentz (o de Larm or) de las ecuaciones de transform ación. O tro aspecto sorprendente del artículo de Einstein es que no hacía m ención del experim ento de M ichelson-M orley ni tam poco otros experim entos ópticos que no consiguieron detectar un viento de éter y que se discutían ru tinariam ente en la literatura sobre la electrod inám ica de cuerpos en m ovim iento. Existen, sin em bargo, evidencias convincentes no sólo de que Einstein tenía constancia del experim ento de M ichelson-M orley cuando escribió su artículo, sino de que el experim ento no tenía especial im portancia para él. No desarrolló su teoría con el objeto de explicar u n enigm a experim ental, sino que trabajó a partir de consideraciones m ucho más generales de sim plicidad y simetría. Éstas estaban principalm ente relacionadas con su profundo interés en la teoría de M axwell y su creencia de que no debería haber diferencia en principio entre las leyes de la mecánica y las que gobiernan los fenóm enos electrom agnéticos. En la ru ta de Einstein hacia la relatividad, los experim entos m entales eran más im portantes que los reales.

Lo que era m enos usual por aquel entonces es que la crucial prim era parte del a rtículo de Einstein era cinem ática, no dinám ica. C om enzaba con dos postulados, el p r i


m ero, el princip io de relatividad, form ulado com o «las m ism as leyes de la electrodinám ica y la óptica serán válidas para todos los m arcos de referencia para los cuales las ecuaciones de la m ecánica son válidas»; el o tro postu lado era «que la luz se propaga siem pre en el espacio vacío con una cierta velocidad c que es independiente del estado de m ovim iento del cuerpo emisor». En cuanto al éter, Einstein lo rechazaba rápidam ente p o r superfluo. A p a rtir de este cim iento axiom ático, procedía hacia consideraciones sobre conceptos aparentem ente elem entales com o longitud, tiem po, velocidad y sim ultaneidad. Su propósito era aclarar estos conceptos fundam entales; m ediante argum entos m uy sencillos, p rim ero m ostraba que la sim ultaneidad no se puede definir de m anera absoluta sino que depende del estado de m ovim iento de los observadores. A continuación aplicaba esta observación para m ostrar que no podían existir nociones consistentes de tiem po absoluto y longitud absoluta de u n cuerpo. Las transform aciones (de Lorentz) entre u n sistem a estacionario y o tro m oviéndose un iform em ente con respecto a él se derivaban de u n a m anera puram ente cinem ática.

Al contrario que las fórm ulas de Lorentz y Poincaré, las de Einstein se aplicaban a coordenadas espaciales y tem porales reales y físicam ente m ensurables. Un sistem a era tan real com o el otro. A p artir de las ecuaciones de transform ación se seguía la fó rm ula para la sum a de velocidades, la contracción de cuerpos en m ovim iento y la dilación tem poral, es decir, que los intervalos tem porales son relativos a la velocidad del observador. El tiem po transform ado de Einstein era tan real com o cualquier o tro y era, en este sentido, m uy d istin to del tiem po local de Lorentz. La sum a de dos velocidades u y v proporciona la velocidad final V = (u + v)/( 1 + uv/c2) y, com o Einstein notó , esto im plica el resultado anti-in tu itivo de que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de su fuente.

Los fundam entos de la teoría de la relatividad estaban contenidos en la parte cinemática y, más específicamente, en sus dos postulados. Sólo en la segunda parte justificaba Einstein el título de su artículo, «sobre la electrodinám ica de los cuerpos en m ovimiento». Derivó las fórm ulas de transform ación para cam pos eléctricos y magnéticos, que, de acuerdo con Einstein, eran cantidades relativas del m ism o m odo que las coordenadas espaciales y temporales; pero aunque las cantidades de los cam pos eran relativas al estado de m ovim iento, la ley que las gobernaba no lo era: Einstein dem ostró que las ecuaciones de Maxwell-Lorentz tienen la m ism a form a en cualquier marco de referencia. Son invariantes relativamente. 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 nom bre que hubiera im pedido m uchos m alentendidos. El nom bre de «teoría de la relatividad» fue in troducido por Planck en 1906 y aceptado rápidam ente. Irónicam ente, Planck consideraba que la esencia de la teoría de Einstein era sus rasgos absolutos, no los relativos.

En 1892 Lorentz había postulado la fuerza que actúa sobre u n a carga q que se m ueve en un cam po m agnético (la fuerza de Lorentz, F = qv x B/c). Einstein m antuvo la


.ev pero cam bió su estatus. Fue capaz de deducirla de una m anera sencilla a p a rtir de >us transform aciones 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 contem poránea, ya que para Einstein eran cantidades prim itivas; no estaba interesado en cuestiones de su for- m a o estructura in terna. Predijo que la energía cinética de u n electrón variaría con su velocidad com o m()c2 (y - 1), donde m 0 es la m asa de u n electrón que se m ueve lenta- m ente, su m asa en reposo. Desde este resultado, sólo hay un pequeño paso hasta la equivalencia entre m asa y energía, u n paso que Einstein dio en o tro artículo de 1905. Allí derivó la que es, posiblem ente, la ley física más famosa, E = me2. En palabras de Efostein, «la m asa de u n cuerpo es una m edida de su contenido energético; si la ener- gía cam bia en L, la m asa cam bia de la m ism a m anera en L/9 X 1 0 2°, m edida la energía en ergios y la m asa en gramos».

La m ayoría de los lectores del artículo de Einstein probablem ente lo consideraron una contribución a la teoría electrónica tan de m oda por aquel entonces y prestaron m enos atención a su parte cinem ática. Pero Einstein no era un teórico electrónico y su teoría era, de acuerdo con los postulados sobre los cuales se construía, totalm ente general. Se m antenía que los resultados eran válidos para todo tipo de m ateria, eléctrica o no. Einstein indicaba su distancia de la teoría electrónica contem poránea al escribir que sus resultados, aunque se derivaran de la teoría de M axwell-Lorentz, eran «tam- bién válidos para pun tos m ateriales ponderables, ya que un pu n to m aterial ponderable tam bién puede convertirse en un electrón (en nuestro significado de la palabra) m ediante la adición de u n a carga eléctrica, sin im portar cuán سوةم،أ » (M iller 1981, p. 330; cursiva en el original). Este tipo de «electrón» no tenía lugar dentro de la visión del m undo electrom agnética. La equivalencia entre m asa y energía era bien conocida en 1905, pero en una in terpretación electrom agnética más lim itada (véase capítulo 8). La expresión de Einstein, E = me2, era com pletam ente general.

La teoría de Einstein fue asum ida y debatida con bastante rapidez, especialm ente en Alemania. Su verdadera naturaleza no se reconoció inm ediatam ente, sin em bargo, y m uchas veces se supuso que era una versión m ejorada de la teoría electrónica de Lo- rentz. Se utilizaba com únm ente el nom bre de «teoría de Lorentz-Einstein», que se puede encon trar en la literatura hasta los años veinte. El m ás im portan te de los prim eros defensores de la relatividad fúe M ax Planck, que fue crucial no sólo po r poner su au- toridad tras la teoría, sino po r desarrollarla técnicam ente. Planck estaba m uy im presionado po r la estructura lógica de la teoría y sus características unificadoras. La reconocía com o una teoría fundam ental que abarcaba tanto m ecánica com o electrom agnetism o y le fue grato cuando descubrió, en 1906, que la teoría de la relatividad se podía presentar en un principio de m ín im a acción. Planck tam bién desarrolló la dinám ica de las partículas de acuerdo con la teoría de Einstein y fue el p rim ero en escribir las leyes de transform ación para la energía y el m om ento. O tro im portan te defensor de la teoría era el m atem ático de G otinga H erm ann Nfinkowski quien, en u n sem inario en 1907, presentó la teoría de la relatividad en u n m arco geom étrico te trad؛men،>ional con un


fuerte atractivo m etaf؛$ic©. M inkowski in trodu jo la noción de la línea del m undo de una partícula y explicó con entusiasm o la ru p tu ra radical con el pasado que suponía la teoría de la relatividad: «De aquí en adelante el espacio por sí m ism o, y el tiem po por sí m ism o, están condenados a desvanecerse en m eras som bras, y sólo un tipo de unión de los dos conservará una realidad independiente» (Galison 979 ا, p. 97). Sin embargo, M ikowski consideraba que la teoría de Einstein com pletaba la de Lorentz y la Ínter- pretaba, de m anera errónea, com o si estuviera dentro del m arco de la cosm ovisión electrom agnética.

Gracias a los trabajos de ?lanck, M inkowski, Ehrenfest, Laue y otros, en 1910 la teo- ría de la relatividad de Einstein había obtenido u n firm e apoyo y era aceptada probablem ente p o r u n a m ayoría de los físicos teóricos de elite. Annalen der Physik se convir-- tió en la principal revista para un creciente núm ero de artículos en los que se ponía a p rueba la teoría, se la exam inaba conceptual y técnicam ente, se aplicaba a nuevas áreas, y se reform ulaba la vieja física dentro del m arco relativista. Fuera de Alem ania la re- cepción fue más lenta y más dubitativa, pero tan to si se aceptaba la teoría en un sentido físico com o si no, en 1910 m uchos físicos utilizaban sus ecuaciones. For aquel entonces, la teoría era poco conocida fuera de la com unidad física. Llevó algún tiem po que la relatividad se d ifundiera hasta el físico m edio y, naturalm ente, aún m ás para que llegara a los libros de texto de física. La creciente fam iliaridad de la teoría especial de la relatividad queda ilustrada en el fam oso Atom bau und spektrallinien de Som m erfeld, que era un libro de física atóm ica dirigido sobre todo a estudiantes y no a expertos. En las prim eras tres ediciones, de 1919 a 1922, Som m erfeld com enzaba su capítulo sobre la teoría de la estructu ra fina con u n a in troducción de dieciocho páginas a la teoría de la relatividad. En la edición de 1924, reem plazó la in troducción con el optim ista CO-

m entario de que la teoría de la relatividad era ahora un conocim iento com ún a todos los científicos.

De la relatividad especial a la general

M í p rim er pensam iento acerca de la teo ría general de la relatividad fue concebido

dos años después, en 1907. La idea se m e ocu rrió de repente [...] m e di cuen ta de que to-

das las leyes naturales excepto la ley de la gravedad se po d ían d iscu tir d en tro del m arco

de ظ teoría especial de la relatividad. Q uería en co n tra r la razón de esto, pero no m e re-

su ltó fácil conseguir este objetivo [...] £l avance fundam en ta l v ino de repente u n día. Es-

taba sen tado en una silla en m í oficina de paten tes en Berna. De repente, me fu lm inó un

pensam iento: si u n hom bre cae librem ente, no sentiría su peso. Me quedé sobrecogido.

£ste sencillo experim ento m ental ١٦٦،' causó gran im presión. Esto !١١؛ condu jo a la teoría

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

Así era com o Einstein, en una com unicación de 1922, describía el principio de la ru ta que le conduciría a una de las teorías más fundam entales que jam ás ha conocido la historia de la ciencia. A pesar de contribuciones técnicas interesantes de David Híl-


bert, G unnar N ordstrom y algunos m ás, la relatividad general fue sobre todo ٧١٦ trabajo de Einstein. De aeuerdo al principio de equivaleneia, n ingún experim ento meeá- nieo puede distinguir entre un cam po grav؛ta to r؛o constante (no acelerado) y hom o- géneo y un m arco de referencia un iform em ente acelerado en el cual no hay fuerza gravitatoria. En 1907 Einstein form uló este principio de una m anera generalizada, que seria válida para todo tipo de experim entos, m ecánicos o no. Desde este pun to de vista, no hay diferencia esencial entre inercia y gravitación. E instein no con tinuó ¡nme- d iatam ente con esta idea, pero en 1911 p rodujo una prim era versión de un nuevo program a de investigación que consistía en encon trar una nueva teoría de la gravitación que condujera tan to al principio de equivalencia com o a una teoría extendida de la relatividad. Esta prim era generalización del princip io de la relatividad proporcionaba dos notables predicciones: en p rim er lugar, que la gravedad afectaba a la propagación de la luz y, en segundo, tal y com o Einstein ya había observado en su articulo de L907, que el ritm o de u n reloj se frena cerca de una m asa gravitatoria grande. En cuanto a la prim era predicción, Einstein halló que para un rayo que pasara tangente al disco solar, deflexión seria algo m ظ enor que u n segundo de arco, 0,83”. El reloj en la segunda pre- dicción podría ser u n átom o que em itiera luz, m idiéndose m ediante una línea espectral m onocrom ática, y en este caso Einstein calculó que la longitud de onda recibida se increm entaría (avanzaría hacia el rojo) con el cam po ^ v i t a to r io . El resultado, consecuencia directa del principio de equivalencia, era Δλ/λ = Δ φ /c2, siendo Δφ la diferencia entre los potenciales gravitacionales donde la luz se em ite y donde se recibe.

Einstein se dio cuenta de que su teoría de 1911 era tan sólo un paso hacia la teoría que buscaba. D urante los siguientes cuatro años se sum ergió to talm ente en la búsque- da aún m ás com pleja de la nueva teoría relativista de la gravitación. La clave del problem a resultó estar en las m atem áticas. «En toda m vida no he trabajado ni la m ؛ itad de duro», escribía a Som m erfeld en 1912; «He adquirido un gran respeto p o r las m a- tem áticas, cuya parte m ás sutil yo había considerado, en m i simpleza, com o un puro lujo hasta ahora» (?ais 1982, p. 216). Ayudado p o r su amigo, el m atem ático Marcell G rossm ann, reconoció que el instrum en to m atem ático apropiado para la teoría era el cálculo diferencial absoluto (o análisis tensorial), que se originaba con los trabajos del siglo XIX de Gauss y R iem ann. En colaboración con G rossm ann, Einstein desarrolló una teoría tensorial de la gravitación en la cual el espacio-tiem po no se veía ya com o un inerte fondo de los elem entos físicos, sino que estaba él m ism o sujeto a cam bios de- b idos a la presencia de cuerpos gravitatorios. A hora abandonó to talm ente el elem ento de línea de la relatividad especial y lo reem plazó con una expresión tensorial más com - pleja que en general consistía en diez térm inos cuadráfícos: ds2 = Xgmt¡dxmdx". De m a- ñera similar, ya no basaba su teoría en las transform aciones de Lorentz, las cuales que- ría reem plazar con un g rupo de invariancia m ás general. En 1913, Einstein discutió los requisitos de covariancia general, es decir, que las ecuaciones de cam po deben tener la m ism a form a en todo m arco de referencia. Consideraba que las leyes físicas que satisficieran este requisito serían preferibles, ya que esto m inim izaría la arb itrariedad y m a- xim izaría la sim plicidad de la cosm ovisión. Sin em bargo, tras form ular el principio de

94 Generacienes cuánticas

covariancia general, lo abandonaba y en vez de eso propon ía un conjunto de ecuaciones de cam po que no poseían esta propiedad. La principal razón de Einstein para este paso retrógrado era que sus ecuaciones con covariancia general no se reducían al lími- te new toniano para cam pos gravitatorios estáticos débiles. Desarrolló un argum ento, que sería más tarde conocido com o «el argum ento del agujero», que le convenció de que una teoría basada en ecuaciones con covariancia general no podía proporcionar la respuesta correcta. La razón era que una teoría tal, pensaba erróneam ente Einstein, in- fringiría el determ inism o y la causalidad. H icieron falta dos años de profundo pensa- m iento antes de que se viera forzado a reconocer que la covariancia general era en efec- to la clave de tocio,؟ sus problem as. Esta fase culm inó du ran te el verano y o toño de 1915 y en noviem bre de ese m ism o año presentó ante la Academia de Ciencias de Berlín la form a final de sus ecuaciones de cam po generalm ente covariantes para la gravitación; era, escribió a Som m erfeld, «el m ás valioso descubrim iento que he hecho en m i vida».

El artículo de Einstein del 18 de noviem bre de 1915 no sólo incluía un nuevo grupo de ecuaciones de cam po gravitatorio que eran generalm ente covariantes y lógica- m ente satisfactorias, sino que tam bién utilizaba su nueva teoría para concluir que su an terior predicción para la deflexión gravitatoria de la luz estaba equivocado en un fac- to r de 2. De acuerdo con la teoría m ejorada, un rayo de luz que pasara cerca del sol su- friría una deflexión con un ángulo de 1,7”. A parte de la atractiva estructura 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 predicción de un efecto conocido: la precesión anóm ala del perihelio de M ercurio. Se sabía desde 1859 que M ercurio no se m ueve alrededor del sol exactam ente com o debería de acuerdo a la m ecánica new toniana. Su perihelio precede lentam ente alrededor del sol, com o explica la m ecánica celeste, pero con una velocidad de rotación ligeram ente distinta. La anom alía era de sólo 43” po r siglo (un 8 p o r ]()() de la precesión observada), pero era suficiente para constitu ir un problem a para la teoría de la gravitación de N ew ton. Einstein no fue el p rim ero que buscó explicar la anom alía de M ercurio, pero fue el p rim ero en proporc ionar una ex- plicación cuantitativa basada en una teoría fundam ental que no se había constru ido ex profeso para resolver el problem a. Su valor calculado para la precesión estaba casi perfectam ente de acuerdo con el observado. Einstein sabía desde hacía tiem po que el problem a del perihelio de M ercurio sería una prueba ineludible para cualquier nueva teo- ría de la gravitación. Ya el día de N avidad de 1907 escribió a su am igo C onrad Habicht: «Espero aclarar los cam bios seculares de la longitud de perihelio de M ercurio, hasta ahora inexplicados [...] [pero] de m om ento no parece fim eionar».

A principios de 1916, m ientras Europa se desangraba en la ?rim era C uerra M undial, Einstein preparaba su teoría general de la relatividad. Pocos físicos fueron capaces de entender (o ni siquiera tener acceso a) la teoría dada su com plejidad y form ulación m atem ática poco familiar, pero la teoría proporcionaba tres predicciones, las cuales podían m edirse para juzgar si la teoría era en verdad físicam ente correcta y no simple- m ente el sueño de un m atem ático imaginativo. La predicción del avance del perihelio de M ercurio fue u n gran éxito, pero estaba lejos de ser suficiente com o para convencer


a los eseépticos de la verdad de la teoría de Einstein. Después de todo, Einstein sabía de la anom alía desde hacía tiem po, así que quizás había incorporado el resultado de alguna m anera dentro de su teoría. ¿Y no podía el resultado correcto obtenerse sin ط ayuda de la dudosa teoría de la relatividad? Esto era lo que unos pocos ' alem anes m antenían , refiriéndose a una teoría que Paul G erber había publicado en 1902 en la cual había obtenido la m ism a expresión para el avance del perihelio de un planeta que la de Einstein en 1915. E rnst Gehrcke, uno de los principales antirrelativistas alem anes, hizo que se volviera a publicar el artículo en 1917 para utilizarlo contra la teoría de la relatividad y la p rio ridad de Einstein. El resultado fue una controversia m enor, pero pocos físicos, incluso entre los antirrelativistas, fireron llevados a engaño. La teoría de G erber era sim plem ente errónea y su expresión correcta para el perihelio puram ente una coincidencia.

El corrim ien to al rojo gravitatorio, el m ism o en ا9قإ que en L9L1, era extrem ada- m ente difícil de m edir, sobre todo porque las líneas espectrales m edidas provenían de la caliente atm ósfera solar, donde u n corrim iento al rojo no podía ser d istinguido fá- cilm ente de otros efectos com o el Doppler. Entre ا9قل y 1919, varios investigadores tra taron de verificar el «efecto Einstein», pero en todos los casos fracasaron a la hora de encon trar un efecto de la m agn itud predicha po r Einstein. Por o tro lado, en 1920 dos físicos de la U niversidad de Bonn, A lbert Bachem y Leonhard Grebe, publicaron resultados que estaban esencialm ente de acuerdo con la predicción. N o es sorprendente que Einstein apoyara rápidam ente los resultados de Bachem-Grebe. A unque la afirm ación alem ana fuera criticada por otros experim entales y todo el asunto no fuera aclarado hasta m ucho m ás tarde, a p a rtir de 1920 aproxim adam ente, m uchos físicos llegaron a la conclusión de que la predicción de Einstein estaba razonablem ente de acuerdo con las observaciones, o, al m enos, que no había un desacuerdo claro. Por ejemplo, el astrónom o am ericano Charles E. St. John del O bservatorio Solar de M ount W ilson creía, entre 1917 a 1922, que 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 predicción de Einstein. H ay m otivos para suponer que el cam bio de actitud de St. John, com o el de m uchos o tros investigadores, era en gran parte el resultado de una tercera prueba, las m edidas del eclipse de 1919 que tan espectacularm ente confir- m ara la predicción sobre la deflexión de la luz.

Poco después de la p rim era (e incorrecta) predicción de 1911, unos pocos astróno- m os in ten taron com probar la predicción m idiendo la posición de las estrellas cerca del borde solar du ran te un eclipse. Las expediciones al eclipse de 1912 en Brasil y de 1914 en el sur de Rusia no produ jeron resuJtado alguno, en el p rim er caso p o r Ja persistente lluvia y en segundo p o r el estallido de la guerra. En 1918 astrónom os am ericanos del O bservatorio Licl< consiguieron tom ar fotografías del eclipse que atravesó los Estados Unidos. El inform e, que incluye datos en conflicto con la predicción de 1915, en todo caso no fue publicado. En vez de eso, fue la expedición británica dirigida por Frank Dy- son y A rthur Eddington y planeada en 1917 la que p rodujo los resultados positivos. El eclipse solar to tal de 1919 fue estudiado en dos lugares, en la Isla Príncipe frente a Ja


costa de África occidental (por Dyson) y en Sobral en Brasil (por E ddington). Se to- m arón fotografías en las dos expediciones; cuando se analizaron, m ostraron una de- flexión de la luz en excelente (aunque no perfecto) acuerdo con la teoría de Einstein. Dyson, que in form ó de los resultados en un encuentro conjunto de la Royal Society y ط Royal A stronom ical Society el 6 de noviem bre de 1919, concluía: «Se ha obten ido un resultado m uy claro de que la luz es deflectada de acuerdo con la ley de gravitación de Einstein» (Earm an y G lym our 1980a, p. 77). Ésta era, de hecho, una conclusión denia- siado optim ista, que podía obtenerse sólo m ediante u n tra tam ien to de los datos disponibles que rayaba en la m anipulación, incluyendo el rechazo de datos que no estaban de acuerdo con ظ predicción de Einstein. Eddington, ظ au to ridad britán ica sobre la relatividad y profeta de ésta, estaba to ta lm ente convencido de la verdad de la teoría general de la relatividad y su visión preconcebida nubló ظ conclusión. En cualquier caso, la teoría fue aceptada por la m ayoría de los físicos y astrónom os, aunque no por todos. Al igual que Gehrcke, había invocado la antigua teoría de G erber com o una alternativa a los cálculos de Einstein para el perihelio de M ercurio, conservadores com o W iechert y Larm or sugirieron elaboradas explicaciones electrom agnéticas de deflexión de la luz al princip io de los años veinte. Pero com parados con el enorm e interés en la teoría de Einstein, éstos y o tros in tentos no relativistas atrajeron poca atención. La ex- pedición al eclipse de 1919 se convirtió en un pun to crucial en la historia de la relatividad, aunque fuera desde u n pun to de vista social m ás que científico.

De acuerdo con las m em orias de Use Rosenthal-Schneider, que era una estudiante de filosofía y física en la Universidad de Berlín en 1919, cuando Einstein recibió la noticia de la confirm ación de l} ^ n -E d d in g to n , se quedó «bastante im pertérrito» . Le dijo a ella, «sabía que la teoría es correcta. ¿Es que tú lo dudabas?». A la p regunta de R osenthal-Schneider de qué habría dicho si las observaciones hubieran estado en desacuerdo con la teoría, Einstein respondió, «Tendría que haber com padecido a nuestro pobre Dios. La teoría es correcta en todo caso» (R osenthal-Schneider 1980, p. 74).

La im agen de Einstein de un racionalista om nisciente y algo arrogante a quien no le im portaban los experim entos está sin duda m uy extendida y es parte del m ito de Einstein. Pero es básicam ente incorrecta, al m enos en lo que se refiere al joven Einstein. Por el contrario , Einstein estaba p ro fundam ente interesado en las pruebas experim entales de sus teorías y tra taba m uchas veces de organizar estas pruebas. Por ejemplo, cuando Einstein predijo en 1911 que la luz sería deflectada en cam pos gravitacionales, fue él quien in ten tó interesar a los astrónom os para que com probaran la predicción. Einstein enfatizó la estructura cerrada y lógica de su teoría general de la relatividad, que para él im plicaba no tan to que debía ser, por tanto , correcta, sino que no podía ser m odificada para acom odar alguna refutación experim ental. En u n a carta a Eddington de 1919 escribía, «estoy convencido de que el corrim iento hacia el rojo de las líneas espectrales es una consecuencia de la teoría de la relatividad absolutam ente inevitable. Si se p robara que este efecto no existe en la naturaleza, se tendría que abandonar toda la teoría» (H entschel 1992, p. 600). Se expresó de m anera sim ilar en lo tocante a la pre- dicción 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 cuando le llegaron notieias de los resultados. La historia de Rosenthal- Sehneider no es de confianza. £1 hecho de que más tarde £instein llegara a adoptar una actitud platónica y racionalista acerca de los experim entos frente a las teorías m ate- m áticas es o tro asunto.

Recepción

La teoría de la relatividad de £instein tenía en com ún con la biología evolutiva de Dar- win, los rayos invisibles de Rontgen y el psicoanálisis de Freud el hecho de que fue recibida con un enorm e interés firera, además de dentro, de la com unidad científica. Se convir- fió en uno de los símbolos 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», un térm ino com únm ente asociado al paso de la física new toniana a ظ de £instein. La teoría de ظ relatividad era de hecho una especie de revolución conceptual y, a principios de los años veinte, la m etáfora revolucionaría, asociada libremente con revoluciones políticas, se convirtió en un em blem a de la teoría de £instein. Era u n estig- m a que desagradaba a Einstein. Einstein no se consideraba un revolucionario; en sus ar- tículos y comunicaciones, enfatizó repetidam ente la naturaleza evolutiva del desarrollo de ciencia. La teoría de la relatividad, decía m ظ uy a m enudo, era el resultado natural de los fundam entos de la física trazados por Newton ٢ Max^velL Así, en un artículo de 1921, Ein- stein hacía notar, «hay algo atractivo en presentar la evolución de una secuencia de ideas de ظ form a más breve posible, y todavía de una m anera suficientemente completa para conservar en todo m om ento ظ continuidad del desarrollo. Intentaremos 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 pensamiento» (Hentschel 1990, p. 107).

£1 público general -inc luyendo a m uchos científicos y a la m ayoría de los filósofos- descubrió la teoría de la relatividad tan sólo tras el fin de la ? rim era G uerra M undial, en parte cóm o resultado de la m uy publicitada expedición del eclipse, que anunció la confirm ación de la teoría de Einstein. U na gran parte de la literatura sobre relatividad en los años veinte estaba escrita p o r no científicos que, en la m ayoría de los casos, no entendían en absoluto la teoría y discutían sus im plicaciones en áreas donde no se po- día aplicar con legitim idad. Algunos autores «aplicaban» la relatividad a la teoría del arte, algunos a teorías psicológicas y otros establecían am plias consecuencias filosófi- cas y éticas a p a rtir de la teoría de Einstein. No era poco com ún que se sostuviera que el relativism o ético se seguía de la teoría de la relatividad y que por esta razón se declaraba non grata en ciertos círculos. ¿No había afirm ado Einstein que todo es relativo y que ningún pu n to de vista es superior a n ingún otro?

El em inente filósofo español losé © rtega y Gasset fue uno de los que utilizaron mal la teoría de Einstein para d iscutir a favor de su filosofía particular, a la cual denom inaba «perspectivismo»; he aquí una m uestra: «La teoría de Einstein es una m aravillosa prueba de la arm oniosa m ultiplicidad de todos los pun tos de vista posibles. Si la idea se extiende a la m oral y a la estética, llegarem os a experim entar ط Eíistoria y la vida de

eas98؛ Generaciones cu¿nt

u n nuevo m odo ا.„] En vez de eonsiderar bárbaras a las culturas no europeas, em pe- zarem os a respetarlas com o m étodos de enfrentarse al cosm os que son equivalentes a los nuestros. Hay u n a perspectiva china que está justificada tan to com o la occidental» (W illiams 1968, p. 152). ?٥٢ cierto, el perspectivism o de O rtega y Gasset sería aceptado m ás adelante p o r m uchos occidentales com o políticam ente correcto y utilizado para criticar la cosm ovistón científica. Sean cuales sean los m éritos del per,êc t؛vi$mo o del relativism o, estas ideas no tienen nada que ver con la teoría de la relatividad.

El gráfico 7.1 m uestra la d istribución anual de libros alem anes sobre relatividad entre 1908 y 1944, con u n pico agudo en 1921, cuando el debate público alcanzó su cim a. El gráfico se refiere tan to a libros de texto de física com o a libros y panfletos populares, filosóficos y antirrelativistas; esta ú ltim a categoría representaba aproxi- m adam ente tres cuartas partes del núm ero to tal de títu los publicados du ran te los años del pico, 1920-1922. ?o r supuesto, los físicos hab ían «descubierto» la relatividad m uchos años antes de 1921, en la fo rm a de la teoría especial, aunque, com o se ha m encionado , hasta 1913 aprox im adam ente m uchos físicos no d istinguían clara- m ente en tre relatividad einsteniana y las ecuaciones de las teorías electrónicas. La estru c tu ra fina de las p rim eras publicaciones sobre relatividad se m uestra en el gráfi- co 7.2, que curiosam ente com ienza en 1900. Es de n o ta r el dom in io alem án, la falta de lite ra tu ra francesa hasta 1912 aprox im adam ente y la caída en el n úm ero to ta l de publicaciones en tre 1910 y 1915 (véase tam b ién la tabla 7.1). Esta ú ltim a caracterís- tica p robab lem ente refleja que, en 1911, la teo ría especial de la relativ idad era am - p liam ente aceptada en tre los físicos y no se consideraba que estuviera en la vanguar- d ia de la física. Fue sólo tras la aparic ión de la teo ría extendida en 1915 cuando se recuperó el im pulso.

Gráfico 7.1. Libros alemanes sobre relatividad, 1908-1943. Fuente: Goenner 1992. Reelaborado con el permiso de Einstein Studies, editores de serie Don Howard y lohn Stachel.

La relatividad de Einstein مر de ©tres 99

Gráfico 7.2. Distribución de publicaciones sobre la relatividad, 1900-1920. Fuente: Reimpreso de 1. ,'زارا· Revolution؟ in a l<evoiu(؛on», Studies in the History and Philosophy o f Science 12, 1981, pp. 173-210, con permiso de Elsevier Science.

Las recepciones de la relatividad dependían de los en tornos particulares nacionalesV culturales. En Francia, la teoría de Einstein fue recibida al princip io con silencio, un hecho sin d uda relacionado con el sistem a de educación e investigación francés, rígidoV centralizado y, posiblem ente, con la influencia de Foincaré. Salvo po r Paul Langevin y unos pocos de sus estudiantes, los físicos franceses descubrieron la relatividad sólo cuando la observación del eclipse de 1919 llegó a los titulares internacionales. Incluso entonces, la relatividad se recibió generalm ente con ciertas sospechas; du ran te los años posteriores a la Prim era G uerra M undial, no se dejó de tener la sensación de que la relatividad era u n a teoría alemana

La situación en los Estados U nidos no era m uy diferente, aunque p o r distintos m o- tivos. Es significativo que el p rim er estudio serio fuera un artículo de 1909 escrito por dos quím icos-físicos, G ilbert N. Lewis y Richard c . Tolman. Estos, com o casi todos los


TABLA 7.1D istribuciones nacionales de publicaciones científicas sobre la relatividad hasta 1924

País N ° de autores N ° de publicaciones

A lem ania 350 1.435

Inglaterra 185 1.150

Francia 150 690

Estados U nidos 128 -

Italia 65 215

Países Bajos 50 126

A ustria (-H ungría) 49 -

Suiza 37 -

Rusia (URSS) 29 38

Nota: Datos de Hentschei 1990, p. 67.

otros científicos estadounidenses que tenían constancia de la teoría de la relatividad, tendían a presentar la teoría de acuerdo con las norm as positivistas. Para ellos, la teoría de la relatividad era una generalización inductiva a p a rtir de datos experim entales, una actitud m uy distin ta de la que Einstein y sus colegas alem anes m antenían . El p u n to de vista de M illikan, que «la teoría especial de la relatividad se puede describir com o si em pezara esencialm ente con una generalización del experim ento de M ichelson», era com partida po r casi todos los físicos norteam ericanos (H olton 1988, p. 280). En los Estados U nidos, en particular, era com ún criticar la teoría de Einstein p o r ser «antidem ocrática» y estar contra el sentido com ún popular. W illiam Magie, u n profesor de física de la U niversidad de Princeton, era un portavoz de este tipo de oposición cuasipolítica. En u n com unicado de 1912, argum entaba que las teorías físicas fundam entales «deben ser inteligibles para todo el m undo, tan to para el hom bre com ún com o para el académ ico form ado». M anteniendo, de m anera algo .poco realista, que «todas las teorías físicas anteriores han sido así de inteligibles», Magie sugería que los princip ios dem ocráticos de la ciencia se asentaban en «los conceptos p rim arios de fuerza, espacio y tiem po, tal com o son en tendidos por toda la raza hum ana», pero la teoría de Einstein no se apoyaba en estos conceptos naturales, lo cual llevaba a que M agie preguntara, retóricam ente, «¿acaso no tenem os el derecho de ped ir de estos líderes del pensam iento, a quienes debem os el desarrollo de la teoría de la relatividad, que [...] prosigan su brillante trayectoria hasta que consigan explicar el princip io de relatividad reduciéndolo a u n m odo de acción que esté expresado en térm inos de los conceptos prim arios de la física?» (H entschei 1990, p. 75).

La relatividad llegó a Rusia u n poco antes que a los Estados U nidos y el tem a fúe discutido en el sem inario teórico de Paul Ehrenfest en San Petersburgo a partir de 1907, aproxim adam ente. Poco después de la guerra civil, cuando Rusia se convirtió en la U nión Soviética, se ofrecieron cursos sobre la teoría extendida de la relatividad en


San Petersburgo, donde Alexander Friedm ann estableció una im portan te escuela de fí- sica teórica e hizo contribuciones ftm dam entales a la cosm ología relativista. Al contrario de la situación en los años tre in ta y cuarenta, la relatividad no se contem plaba com o una teoría controvertida ideológicam ente; aunque algunos defensores de la fe m arxista ortodoxa rechazaban la teoría de la relatividad en nom bre del m aterialism o dialéctico, las objeciones filosóficas y políticas no in terfirieron en el estudio científico de la relatividad que tuvo lugar en San Petersburgo (o, a p artir de 1924, Leningrado) y en otros lugares del am plio im perio com unista (véase tam bién el capítulo 16).

La teoría de la relatividad era, sobre todo, una teoría alem ana y quizá, com o algunos han argum entado, una teoría judeoalem ana. En com paración con las anim ada¿ discusiones en Afemania y las im portan tes contribuciones de este país, los físicos bri- tánicos tardaron en responder constructivam ente a la nueva teoría. Parte del problem a fue el rechazo de Einstein del éter, u n concepto al cual se adherían ظ m ayoría de los fí- sicos británicos y que les costaba abandonar. El prim er libro de texto sobre la relatividad escrito por un británico fue The Principie o fR ela tiv ity de Ebenezer C unningham , publicado en 1914. Este libro, con el cual el joven Paul L)؛rac aprendió relatividad, to- davía incluye vestigios de la cosm ovisión etérea. Por ejem plo, el princip io de la relatí- vidad se form ula com o «la hipótesis general, sugerida po r la experiencia, de que sea cual sea la naturaleza del m edio etéreo no podem os ob tener una estim ación de las velocidades de los cuerpos relativas a él m ediante ningún experim ento concebible» (Sán- chez-Ron 1987, p. 52). En Inglaterra, igual que en todas partes, la relatividad realm ente triunfó sólo después de 1919, ahora con Eddington com o abanderado de la teoría. A parecieron varios m onográficos sobre teoría de la relatividad en 1920-1923, de los cuales space, Time and Gravitation (1920) y The M athem atical Theory o fR e la tiv ity ( 9 2 3 se convirtieron en grandes ventas internacionales. El rápido crecim (ل iento del in- terés en la relatividad puede haber reflejado, de alguna m anera ظ, situación cultural general después de la G ran G uerra. Esto es lo que □ irac recordaba:

Es fácil ver la razón de este trem en d o im pacto . A cabam os de experim en tar una te-

rrib le y m uy seria guerra [...] to d o el m u n d o quería olvidarla. Y entonces apareció la re-

lativ idad com o una m aravillosa idea que conducía a u n nuevo te rrito rio del pensa-

m iento . Era u n escape de ظ guerra {...١ la relativ idad era un tem a sobre el cual to d o el

m u n d o se sentía con la com petencia para escrib ir de m anera general y filosófica. Los fi-

lósofos sólo destacaron el p u n to de vista según el cual to d o tenía que ser considerado re-

lativo a o tra cosa, y m ás b ien afirm aban que ellos hab ían sabido de relatividad siem pre.

(K ragh 1990, p. 5).

Los recuerdos de D irac en 1977 se ven apoyados p o r fuentes p rim arias, com o un editorial del periódico británico The M orning Post del 27 de septiem bre de 1922, que ofrece o tra explicación posibíe: «Uno de ios resultados de la guerra, en la cual se m o - vilizaron con tan buen propósito los cerebros científicos de este país, es un apreciable increm ento del interés público en los logros de la ciencia, sean teóricos o prácticos. En


los días previos a la guerra, ni el hom bre de la calle ni el hom bre en la ventana del c،ub social podría haber sido persuadido para leer artículos sobre la controversia de Ein- stein contra Newton» (Sánchez-Ron 1992, p. 58).

?ero fue en la Europa germ anoparlante donde realm ente pasaron cosas. No sólo era éste el m u n d o de Einstein, sino tam bién el m undo de ?lanck, Eaue, Weyl, H ilbert, M inkowski, Mié, Born, Lorentz y ?au l؛. Un debate constructivo m atem ática y conceptual- m ente in fo rm ado sólo tuvo lugar en Afemania; y tam bién fue allí donde la destructiva discusión antirrelativista floreció prim ero y duró más. La teoría de la relatividad se veía atacada p o r un inconexo grupo de físicos alem anes de derechas que no sólo estaban políticam ente en la extrem a derecha, sino que tam bién apoyaban virtudes científicas conservadoras, tales com o el m ecanicism o clásico, la causalidad, la predictibilidad y la inspiración física basada en experim entos más que en la teoría (véase tam bién el capí- tu lo ١٥). Los m iem bros m ás activos y radicales de la facción antirrelativista y tam bién, a veces, anticuántica eran ?h ilipp Lenard, Johanne$ Stark y E rnst Gehrcke, todos ellos físicos de renom bre. Lenard y Stark eran prem ios Nobel, y Gehrcke, a p a rtir de 1921 profesor ord inario del ?hysikalisch-Technische Re؛ch$anstah, era un reconocido experto en óptica experim ental. Los físicos antirrelativistas rechazaban las teorías de Ein- stein, las cuales consideraban absurdas, e s ^ i tu a lm e n te peligrosas y carentes de confirm ación experim ental. Si se confirm aba alguna de las ecuaciones relativistas, argum entaban que las ecuaciones pod ían derivarse igual de bien a p a rtir de un funda- m entó clásico. El espacio-tiem po tetradim ensional, el espacio curvado y la paradoja de los gemelos estaban entre los conceptos que fueron declarados abstracciones m atem á- ticas desprovistas de significado físico. Desde 1920, la cruzada alem ana contra la reía- tividad se aceleró con un encuentro anti-E instein en Berlín organizado p o r Paul Wey- land, un activista político, y con Gehrcke com o orador. El encuentro causó una con tundente respuesta pública p o r parte de Einstein, en la que señalaba que el an t؛$e- m ifism o era parte de la agenda de la cam paña antirrelativista. D urante algunos años más, Lenard, Stark, Gehrcke y sus aliados siguieron atacando a Einstein y a la teoría de la relatividad en un gran núm ero de artículos, panfletos y libros. Según ellos, la relatividad no era una teoría científica en absoluto, sino una ideología, un astuto ilusionis- m o cam uflado por Einstein y sus am igos con poder en la física alem ana. Uno de los panfletos antirrelativistas de Gehrcke se titulaba, La teoría de la relatividad: una ilusión de masas científica (1920). Aunque ru idosos y bastante num erosos, los ’ no consiguieron im pedir el progreso de la física teórica alem ana en los años veinte y, en lugar de eso, se m arginaron a sí m ism os. Fue sólo después de 1933, cuando un nuevo sistem a político había tom ado el poder, cuando el antirrelativism o tom ó alguna relevancia, aunque lim itada, en la ciencia alemana.

C AP ÍTU LO 8

Una revolución fallida

En los capítulos anteriores hem os m encionado m uchas veces la cosmovisión electro- m agnética com o el principal com petidor del pu n to de vista m ecánico de la física. Pue- de parecer extraño que tratem os esta cosm ovisión incorrecta después de haber descrito la llegada de la correcta teoría de la relatividad, ya que después de 1905 los físicos seguram ente deberían haber reconocido que la teoría electrónica (en el sentido más am plio) era inferior a la de la relatividad. Puede que hubieran debido hacerlo, pero no lo hicieron. De hecho, la cosmovisión electrom agnética experim entó su cénit justo después de 1905, e hicieron falta al m enos cinco años más hasta que se reconociera que este form i- dable intento de form ular una nueva base para la física era probablem ente insostenible.

El concepto de masa electromagnética

C om o se m encionó en el capítulo 1, en el cam bio de siglo la cosm ovisión m ecáni- ca estaba siendo atacada y de cam ino a ser reem plazada p o r una im agen basada en cam pos electrom agnéticos. La versión m ás radical y elaborada de la nueva concepción, conocida com o la cosm ovisión electrom agnética, em ergió sobre 1900 y floreció durante una década aproxim adam ente. La esencia de su program a era la reducción total de la m ecánica al electrom agnetism o, una nueva física en la cual la m ateria habría desaparecido com o sustancia y habría sido reem plazada p o r los efectos de los cam pos electrom agnéticos: los electrones. El program a se basaba en desarrollos en electrodi- nám ica de las décadas de 1880 y 1890, un periodo duran te el cual em ergió una im agen de la naturaleza electrom agnética m enos com pleta, que p rodujo las teorías electróni- cas de Larm or, Lorentz y W iechert. En este proceso, desem peñaron un papel im portante dos tradiciones: una, de im portancia sólo para Lorentz y W iechert, era la trad i- ción electrodinám ica corpuscular de W eber y sus seguidores, que operaba con partículas eléctricas en interacción instantánea, pero sin concepto de cam po; la o tra tradición, p o r el contrario , tenía sus raíces firm em ente afincadas en la electrod inám -؛

104 Generac¡©nes cuánticas

ca de cam pos de ̂دااسهل . Ya en 1894, W iechert había expresado claram ente la convic- ción de que la m asa m aterial podía ser un epifenóm eno y que la única m asa verdadera era de origen e lec tro rag n é tico , consistente en las hipotéticas partículas eléctricas que describía com o excitaciones en el éter. La sugerencia de W iechert anticipaba la im agen electrom agnética del m undo, pero su trabajo en esta área se vio en parte OSCU-

recido p o r los trabajos de Lorentz y de teóricos alem anes com o M ax A braham y Adolf Bucherer.

En 8رل ل8 el joven j. j. T hom son m ostró que cuando una esfera cargada se mueve a través del éter, adquirirá u n a especie de m asa aparente, de m anera análoga a una este- ra que se m ueve a través de u n fluido incom prim ible. Para una esfera de carga e y radio R, encontró que la m asa inducida electrom agnéticam ente sería m ’ = 4/15 e2/R 2c. £sta prim era in troducción de la m asa electrom agnética sería m ejorada p o r el excén- trico ingeniero e inventor británico Olíve Heaviside, quien en 1889 derivó la expresión trí = 2/3 e2/R 2c. Al contrario que T hom son, quien no pensaba que la «masa aparente» fuera real, Heaviside la consideraba tan real com o la m asa m aterial. Era parte de la m asa m ensurable o «efectiva». W ilhelm W ien obtuvo una m ejora adicional en 1900, en u n artículo titu lado s ^ f ic a t iv a m e n te «Sobre la posibilidad de una fundación electrom agnética de la m ecánica». W ien confirm ó la expresión de Heaviside en el lím ite de bajas velocidades y añadió el im portan te resultado de que la m asa electrom agnética debería depender de la velocidad y diferir de la de Heaviside si la velocidad se aproxi- m aba a la de la luz. La m anera exacta en la que la m asa de un electrón, o cualquier par- tícula cargada, debería depender de la velocidad se convirtió p ro n to en un problem a de crucial im portancia en la nueva física electrónica. El artículo de W ien en 1900 se ha considerado el p rim er p ronunciam iento claro de la cosm ovisión electrom agnética, lo cual (a pesar de la form ulación an terior de W iechert) está justificado dado que W ien asum ió que toda masa era de naturaleza electrom agnética. La m ateria, argum entó W ien, consistía en electrones, y los electrones eran partículas de la electricidad, no mi- núsculas esferas en las cuales residía la electricidad. Además, sostuvo que las leyes de la m ecánica de N ew ton tenían que entenderse electrom agnéticam ente y que, si no se po- día conseguir una correspondencia com pleta, la teoría electrónica era la más profirnda y firndam ental de las dos teorías.

El p rim er m odelo electrónico detallado fue constru ido por M ax A braham , un -sí؛'؛ co de G otinga que se había graduado con Planck en 1897. Según escribía A braham en 1902, la cuestión m ás im portan te de la física era ésta: «¿Se puede explicar com pleta- m ente la inercia de los electrones m ediante la acción dinám ica de su cam po sin utilizar la ayuda de una masa que sea independiente de la carga eléctrica?» (G oldberg 1970, p. 12). Era, en parte, una pregunta retórica. A braham creía que la respuesta debía ser afirm ativa. Llevó a cabo un detallado estudio de la dinám ica del electrón en un artícu- lo de 1903, que en m uchos aspectos contrastaba con el artículo de Einstein sobre reía- tividad de dos años m ás tarde. M ientras que el artículo de Einstein era sim ple m ate- m áticam ente, el de A braham era un tour de forcé m atem ático; y m ientras que el de Einstein ocupaba 31 páginas, el de A braham , nada m enos que 75. Am bos trabajos apa

Una revolución fallida 105

recieron en Annalen der Physik, una revista que frecuentem ente incluía artículos de una longitud que sería inaudita en una revista de física m oderna. En sus trabajos de 1902- 1903, A braham argum entaba que el único tipo de electrón que podía entenderse totalm ente en térm inos electrom agnéticos era una esfera rígida con una d istribución de carga superficiai o volum étrica uniform e. Para u n electrón tal, calculó su m asa (deb¡- da exclusivam ente a los propios cam pos del electrón) y encontró u n a variación con la velocidad que, a p rim er orden en ٣ = (v/c)2, puede escribirse m = m0 (l + 2/5 p2).A quí, ” denota ؛ la m asa electrom agnética en reposo, 2/3 e2l{R 2c). Volveremos en breve al im - portan te trabajo de A braham , que no fúe la única teoría electrónica de la época.

La idea de que la m asa variaba con la velocidad era parte del p rogram a de investí- gación de Lorentz tal com o lo desarrolló a p artir de 1899. El enfoque de Lorentz dife- n a del de Vien y A braham , y era reacio a seguirles en su creencia de que toda m asa es electrom agnética. En 1904, sin em bargo, superó su precaución natu ral y en su teoría del electrón de ese año apoyó la cosm ovisión electrom agnética: no sólo era la m asa de sus electrones de origen electrom agnético, sino que tam bién argum entó que toda materia en m ovim iento (consistente en electrones o no) debe obedecer la variación de la masa característica de los electrones. En 1906, en u n a clase im partida en la Universi- dad de Colum bia, afirm ó «yo en particu lar estaría bastante dispuesto a adop ta r una teoría electrom agnética de la m ateria y de fuerzas entre partículas materiales». C onti- nuó: «En lo tocante a la m ateria, m uchos argum entos conducen a la conclusión de que sus partículas elem entales siem pre p o rtan cargas eléctricas y de que éstas no son m e- ram ente accesorias sino esenciales. In troduciríam os lo que a m í me parece un dualis- m o innecesario si consideráram os estas cargas y lo dem ás que pudiera haber en estas partículas com o cosas totalm ente distintas entre sí» (Lorentz 1952, p. 45). El electrón de Eorentz era, sin em bargo, d istin to de la partícula rígida de A braham . Era u n e]ec- tró n deform able, lo cual quería decir que se contraería en la dirección del m ovim ien- to y así adquiriría una form a elipsoidal en lugar de la form a esférica que tendría en reposo. A braham se opuso a este aspecto de la teoría de Lorentz porque la estabilidad del electrón requeriría alguna fuerza no electrom agnética; esto, sostenía A braham , atenta- ba contra el espíritu de la cosm ovisión electrom agnética. En qué consistía exactam ente este espíritu, sin em bargo, era algo que podía debatirse; no todos los físicos veían en la teoría de Abraham la esencia de la cosm ovisión electrom agnética. Así, en 1908 M inkowski consideraba al electrón rígido «un m onstruo» com parado con las ecuaciones de Maxwell y observaba ingeniosam ente que «acercarse a las ecuaciones de Maxwell con el concepto del electrón rígido m e parece la m ism a cosa que ir a un concierto con los oídos taponados con algodones» (M iller 1981, p. 350).

Para las variaciones de la masa, Lorentz dedujo la fam osa expresión del inverso de la raíz cuadrada que todavía se asocia hoy en día con la teoría de la relatividad de E؛n- stein: m - m () (1 - p2)~l/2 o, aproxim adam ente, m = m g ( 1+ 1/2 p2). Se ve rápidam ente que la diferencia práctica entre las fórm ulas de Lorentz y A braham es pequeña, y que se requieren electrones a m uy altas velocidades para distinguir experim entalm ente entre ellas.


Los electrones rígidos de A braham y los deform ables de Lorentz eran los m odek» 1 más im portantes, pero no los únicos. El físico alem án A dolf Butcherer, e independien- j tem ente Paul Langevin en París, p ropusieron en 1904 o tro m odelo más, caracterizad،» 1 por un volum en invariable duran te el m ovim iento, de tal m anera que la contraccio· | del electrón en una d im ensión se vería com pensada p o r una inflación en la otra. La j teoría de Bucherer-Langevin conducía a una relación m asa-velocidad distinta tanto de j la de A braham com o de la de Lorentz. Con el objeto de decidir entre las distintas teo- ١ rías (incluyendo la de Einstein, que se veía generalm ente com o una variante a la de Lo- ١ rentz), se apelaba a los experim entos de precisión. Antes de seguir con el tem a de u teo ría y los experim entos, considerarem os algunos de los aspectos m ás generales de ١ la cosm ovisión electrom agnética.

La teoría electrónica como una cosmovisión

En 1904 la cosm ovisión electrom agnética había despegado y había surgido como una sustitu ía altam ente atractiva de la visión m ecánica, que se percibía generalm ente com o desfasada, m aterialista y prim itiva. C om o indicativo de la fuerza de la nueva teoría, no sólo era discutida en revistas especializadas, sino que tam bién em pezó a aparecer en libros de texto de física. Por ejemplo, Bucherer in trodu jo su teoría electrónica en un libro de texto de 1904. De m ás im portancia era el libro de texto de electrodinám ica que A braham publicó el m ism o año y que, duran te sucesivas ediciones, llegó a ser am pliam ente utilizado tan to en A lem ania com o en el exterior du ran te m ás de veinte años. El trabajo era una revisión de un libro de texto sobre la teoría de Maxwell escrito por August Fóppl en 1894 (utilizado por, entre otros, el joven Einstein), pero m ientras que Fóppl había p roporcionado una derivación m ecánica de las ecuaciones de Maxwell, A braham utilizó su versión revisada para invertir la p rio ridad de Fóppl entre m ecánica y electrom agnetism o. En u n volum en anexo de 1905, A braham se m anifestó sin m uchas reservas com o u n m isionero de la cosm ovisión electrom agnética.

En conm em oración del centenario de la com pra del territorio de Luisiana po r parte de los Estados Unidos, se celebró un Congreso de las Artes y las Ciencias en San Luis en septiem bre de 1904. Entre los delegados físicos se encontraban varios físicos in ternacionalm ente conocidos, incluyendo a Rutherford, Poincaré y Boltzm ann. El mensaje general de m uchas de las com unicaciones fue que la física estaba en u n m om ento decisivo y que la teoría electrónica estaba en cam ino de establecer un nuevo paradigm a de la física. En su inform e general sobre los problem as de la física-matemática, Poincaré habló de la «ruina general de los principios» que caracterizaban a la época. Poincaré m ism o era u n im portan te contribuyente a la teoría electrónica y ahora estaba dispuesto a concluir que «la m asa de los electrones, o, al m enos, de los electrones negativos, es de origen exclusivamente electro-dinám ico [...] no existe o tra masa más que la inercia electro-dinám ica» (Sopka y M oyer 1986, p. 292). La com unicación de o tro físico francés, Paul Langevin, de tre in ta y dos años, fue m ás detallada, pero no m enos grandiosa, no m enos elocuente y no m enos a favor de la cosm ovisión electrom agnética. Langevin


argum entó a favor de su m odelo del electrón (y el de Bucherer), si bien la estructura detallada del electrón no era realm ente lo que im portaba, lo im portan te era la llegada de una nueva era de la física. C om o explicaba Langevin al final de su exposición:

La ráp ida perspectiva que acabo de bosquejar está llena de prom esas, y creo que ra

ras veces en la h is to ria de la física se ha ten ido la o p o rtu n id ad de m ira r tan lejos hacia el

pasado o tan lejos hacia el fu turo . La im portanc ia relativa de las partes de este inm enso

y apenas explorado d om in io parece diferente hoy en día de lo que parecía en el siglo an

terior: desde el nuevo p u n to de vista, los d is tin tos p lanes se d isponen en u n nuevo o r

den. La idea eléctrica, la ú ltim a descubierta, aparece hoy en día com o do m in an d o al res

to , com o el lugar de elección donde el exp lo rador siente que puede fu ndar u n a c iudad

antes de avanzar hacia nuevos te rrito rio s [...] La tendencia actual de hacer que las ideas

electrom agnéticas ocupen u n lugar p reponderan te está justificada, com o he in ten tado

m ostrar, p o r la solidez del doble fundam en to en la cual se apoya la idea del electrón [las

ecuaciones de M axwell y el elec trón em pírico] [...] A unque aún m uy reciente, las con

cepciones de las cuales he in ten tado p ropo rc ionar una idea resum ida son suficientes

para p ene tra r hasta el m ism o corazón de toda la física y para servir com o fértil germ en

en to rn o al cual cristalizar, en un nuevo orden , hechos m uy distantes en tre sí [...] Esta

idea ha experim en tado u n inm enso desarro llo en los ú ltim os años, lo cual ha causado

que el m arco de la vieja física se haya hecho añicos, y que el o rden de ideas y leyes esta

blecidas haya sido desbancado, con el objeto de que se ram ifiquen de nuevo en u n a o r

ganización que u n o predice será sim ple, arm oniosa y fructífera. (Ibid ., p. 230)

Se pueden encontrar en la literatura de alrededor de 1905 abundantes evaluaciones similares a las de Langevin, y m uchas veces utilizando los m ism os códigos e imaginería. Raras veces incluían referencias a la teoría cuántica o a la nueva teoría de la relatividad.

La m etodología tras el p rogram a de investigación electrom agnético era m arcadam ente reduccionista. Su objetivo era establecer una teoría un itaria de toda la m ateria y de las fúerzas que existen en el m undo. La base de la teoría era la electrodinám ica m axwelliana, posiblem ente en una versión m odificada o generalizada; era un p rogram a enorm em ente am bicioso. C uando se com pletara, nada quedaría sin explicar, al m enos en principio. En este sentido, era claram ente un ejem plo de una «teoría del todo». Las partículas elem entales, los fenóm enos atóm icos y cuánticos, e incluso la gravitación se contem plaban com o m anifestaciones del sustrato fúndam ental del m undo: el cam po electrom agnético. Los in tentos de explicar la gravitación en térm inos de in te racciones electrom agnéticas se rem ontaban a la década de 1830, cuando el físico italiano O ttaviano M ossotti propuso una teoría de este tipo. Más avanzado el siglo, la idea se desarrolló con detalles m atem áticos por los alem anes W ilhelm W eber y Friederich Zóllner, que basaban sus teorías sobre la noción de partículas eléctricas en interacción instantánea. Las teorías electrogravitatorias se con tinuaron debatiendo después de que la electrodinám ica de cam pos se convirtiera en el m arco dom inan te de la electricidad y el m agnetism o. Por ejemplo, en 1900 Lorentz derivó, basándose en su teoría electro-


nica, una ley gravitatoria que consideraba una posible generalización de la de Newtor. Los in tentos de unificar las dos fuerzas básicas de la naturaleza, generalm ente m ediante la reducción de la gravitación al electrom agnetism o, eran parte del p rogram a electrom agnético, pero a pesar de m ucho trabajo, no se encontró n inguna solución satisfactoria.

La cosm ovisión electrom agnética fue tam bién un tem a de interés fuera de la física, y tam bién se discutía en círculos filosóficos. Llegó a influir incluso en la política, como queda ilustrado po r M aterialismo y crítica empírica de Lenin, un trabajo político-filo- sófico que Lenin escribió cuando era un exiliado en G inebra y Londres, en 1908. En su intento de form ular una concepción de la naturaleza dialéctico-m aterialista, Lenin citaba párrafos de Poincaré, Righi, Lodge y otros físicos para m ostrar que la física estab¿ en un estado de crisis. «El electrón», escribió el que sería líder de la U nión Soviética, «es tan inexhaustible com o el átom o; la naturaleza es infinita, pero existe infinitam ente». No está del todo claro lo que Lenin quería decir con esto, pero quizá no pretendía que quedara claro.

La atm ósfera revolucionaria de la física teórica queda ilustrada tam bién p o r un encuentro de la Asociación A lem ana de Científicos y M édicos que tuvo lugar en Stuttgart en 1906, es decir, tras la in troducción de la relatividad de Einstein. La m ayoría de los principales teóricos electrónicos partic iparon y la op in ión general estaba a favor de la cosm ovisión electrom agnética en su form a pura, po r ejem plo com o la desarrollada por A braham . Se criticó la teoría de Lorentz p o r su necesidad de una fuerza estabilizadora no electrom agnética; tan sólo Planck defendió la teoría de Lorentz (y de Einstein) contra esta objeción teórica. El electrón rígido era incom patible con el postu lado de relatividad, argum entó Planck, y esto hablaba en favor de la teoría de Lorentz. Para Abraham y sus aliados, hablaba en contra. Entre los aliados estaba A rnold Som m erfeld, de tre in ta y siete años, que m ás tarde se convertiría en u n destacado físico cuántico y a tómico, pero que p o r aquel entonces se había especializado en la teoría electrónica tan de m oda. Som m erfeld dejó claro que consideraba la teoría de Lorentz-Einstein irrem ediablem ente conservadora, un in ten to de salvar lo poco que podía salvarse de la vieja y m oribunda cosm ovisión m ecanicista. A unque Planck adm itió que el p rogram a electrom agnético era «muy bello», no dejaba de ser sólo un p rogram a todavía, respondía, y uno que sería difícil de com pletar de m anera satisfactoria. Para Som m erfeld, esta actitu d era de un injustificado «pesimismo».

Las escaram uzas generacionales son m uchas veces parte de los m ovim ientos revolucionarios y, de acuerdo con Som m erfeld, el nuevo paradigm a en la física ofrecía un especial atractivo a la generación joven: «sobre la cuestión de principios form ulada por el señor Planck», dijo Som m erfeld, «Sospecharía que los caballeros p o r debajo de cuarenta años preferirían el postulado electrodinám ico, y los mayores de cuarenta, el postu lado m ecánico-relativista» (Jungnickel y M cC orm m ach 1986, p. 250). La generalización era probablem ente bastante justa, aunque había excepciones. U na de ellas era Einstein, diez años más joven que Som m erfeld. O tra era Lorentz, m uy p o r encim a del lím ite de los cuarenta años. M enos de una década después del encuentro de Stuttgart,


la situación entre revolucionarios y conservadores se había invertido. A hora, A braham escribía en 1914, «los físicos de ظ vieja escuela tienen que m enear la cabeza y dudar de esta revolución en la concepción de la m asa [...] Los jóvenes físicos m atem̂؛ icos que llenaban las aulas en la época de su influencia estaban entusiasm ados con la teoría de la relatividad. Los físicos de la generación an terio r [...] en su m ayoría contem plaban con escepticism o a los atrevidos jóvenes que in ten taban defenestrar los fiables funda- m entos de todas las m edidas físicas basándose en unos pocos experim entos que toda- vía eran debatidos p o r los expertos» (G oldberg 1970, p. 23).

U no de los tem as más debatidos en to rn o a la cosm ovisión era el estatus del éter. Lxistía una am plia y confusa variedad de puntos de vista acerca del éter y su relación con la teoría electrónica, pero sólo una m inoría de físicos quería deshacerse del éter. £1 pun to de vista m ayoritario sobre ل9(قر parece haber sido que el éter era una parte indispensable de la nueva física electrónica: de hecho, o tra expresión más del cam po e؛ec- trom agnético. Por ejemplo, en sus clases de 1906 en la Universidad de Colum bia, Lo- rentz hablaba del éter com o «el receptáculo de la energía electrom agnética y el vehículo para m uchas y quizá todas las ftrerzas que actúan sobre la m ateria ponderable [...] no tenem os m otivo para hablar de su m asa o de ftrerzas que se le aplican» (Lorentz 1952, p. 31). £1 éter sobrevivió al ataque contra ط «vieja física», pero era un éter altam ente abstracto, desprovisto de atributos m ateriales. Así, en 1909 Planck escribía que «en vez de lo que se denom ina éter libre, existe el vacío absoluto Creo que el único pun to de vista consistente es el que no adscribe ninguna propiedad física al vacío absoluto com o el único consistente» (Vizgin 1994, p. 17). Planck no era el único que utilizaba el térm i- no «vacío» com o un sinónim o de «éter». Desde esta posición, sólo hay u n pequeño paso para declarar al éter inexistente. £sta era precisam ente la conclusión del físico alem án £m il C ohn, u n especialista en electrodinám ica que desarrolló su propia versión de la teoría electrónica sin éter entre 1900 y 1904. U no podía oponerse al principio de relatividad y al éter, com o hizo Cohn; u oponerse al principio de relatividad y aceptar el éter, com o hizo Abraham ; o aceptar tan to el principio de relatividad com o el éter, com o hizo Lorentz; o aceptar el principio de relatividad y oponerse al éter, com o hizo £instein. No es de extrañar que m uchos físicos estuvieran confúsos.

Exper؛mento$ sobre la variación de la masa

La respuesta a la confúsión eran, obviam ente, los experim entos. En princip io , al m enos, debía ser posible com probar las predicciones de las distintas teorías y, de esta m anera, decidir cuál se acercaba m ás a la verdad. De hecho, los prim eros experiinen- tos realizados con el objeto de determ inar ط d istribución entre masa electrom agnéti- ca y m ecánica ya se habían realizado cuando A braham propuso su m odelo electrónico. W alter K aufm ann, el físico de G otinga que había m edido en 1897 la razón carga/m asa de los rayos catódicos a la vez que T hom son, com enzó una serie de experim entos en 1900, en los que deflectaba haces de electrones en cam pos eléctricos y m agnéticos. Para enco n tra r la parte de la m asa del electrón que depende de la velocidad (es decir,


Ja m asa electrom agnética), se necesitaban electrones a velocidades extrem as; con este objeto, K aufm ann utilizó ray©$ beta, que habían sido recientem ente identificados com o electrones m oviéndose a velocidades de hasta u n 90 p o r 100 o más de la velocidad de la Juz.

K aufm ann, que no sól© era u n excelente experim ental sino u n capaz teórico, fue un p ionero partidario de Ja teoría electrónica y la cosm ovisión electrom agnética. Hay pocas dudas de que su entusiasm o p o r la nueva física alteraba sus in terpretaciones de sus datos experim entales. En 1901 concluyó que aproxim adam ente u n tercio de la masa del electrón era de origen electrom agnético. C uando se vio expuesto a la nueva teoría de A braham , rápidam ente volvió a in terp re tar sus datos y consiguió llegar a una con- clusión bien distinta; que toda Ja masa deJ electrón era ' de acuerdocon eJ p u n to de vista de A braham . K aufm ann y A braham eran colegas en la Unlversí- dad de Cotinga y esta relación personal, adem ás de la p ro funda sim patía de K aufm ann por ط cosm ovisión electrom agnética, llevó a K aufm ann a conclusiones que no estaban justificadas tan sólo con sus datos. En 1903 concluyó que no sólo los electrones de los rayos beta, sino tam bién los de los rayos catódicos, se com portaban de acuerdo con la teoría de A braham .

Tras 1905, cuando la teoría de Lorentz (o la «teoría de ' apareciócom o contrincante a Ja de A braham , K aufm ann llevó a cabo nuevos experim entos con el objeto de resolver la cuestión sobre la variación de la masa con la velocidad. Los com plejos experim entos conducían a resultados que aparentem ente refutaban la teo- ría de Lorentz, pero que estaban en razonable acuerdo con la de A braham y tam bién con las predicciones de Bucherer y Langevin. A la vista de los nuevos datos, K aufm ann concluyó que el in ten to de cim entar Ja física sobre el postulado de relatividad «se con- sideraría un fracaso». Sus experim entos se discutieron anim adam ente en el encuentro de 1906 en Stuttgart, donde la m ayoría de los participantes estaba del lado de Kauf- m ann, a favor del electrón rígido y contra eJ electrón deform able y el princip io de relatividad. Q uedó patente, en todo caso, que la in terpretación correcta de los experi- m entos estaba lejos de ser directa, y Planck alertó de que existían m uchos aspectos inciertos y cuestionables en el análisis de K aufm ann, p o r Jo que sugirió que Jos experim entos no eran capaces de decidir entre Jas teorías de A braham y Lorentz y que se necesitaban otros nuevos.

La reacción de Jos teóricos variaba. A braham estaba contento con aceptar Ja con- clusión de K aufm ann, y Lorentz, con m ucho m enor entusiasm o, tam bién la aceptaba. Lorentz sentía que toda su teoría estaba am enazada, de hecho, que se había probado errónea. C om o escribió a Poincaré, «por desgracia, m i hipótesis sobre el acortam iento de Jos electrones está en contradicción con los nuevos resultados de Kaufm ann, y debo abandonarla. No tengo, p o r tanto, ni idea de qué hacer» (Miller 1981, p. 337). En térm i- nos filosóficos, Lorentz actuaba com o un «faJ$acionista», de acuerdo con la filosofía de la ciencia de Karl Popper. No fue así con Einstein, cuya respuesta estaba bastante de acuerdo con las recom endaciones del filósofo Im re Lakatos. Einstein ignoró aJ principio la pre- sunta refutación de Kaufm ann, pero sospechaba que en la reducción e interpretación de

111 fallida ^ؤ؛ساممسآ Ona

los dato$ se habían com etido errores. Sí, los experim entos estaban en desacuerdo con ط teoría de la relatividad pero no, eso no im plicaba que ظ teoría fuera errónea: ft)rzo- sám ente significaba que los experim entos eran erróneos. «En m i opinión», escribía £instein en 1907, «ambas teorías [la de A braham y la de " tienenuna probabilidad m uy pequeña, porque sus suposiciones esenciales sobre la masa de electrones en m ovim iento no son explicables en térm inos de sistemas teóricos que abarquen un m ayor rango de fenóm enos» (ibid., p. 345). La actitud de Einstein (y de ?lanck tam bién) no consistía sim plem ente en negar la validez del experim ento de Kauf- m ann porque no estuviera de acuerdo con una teoría favorecida. Einstein y Planck in- dagaron p rofundam ente en los detalles experim entales, analizaron la situación global cuidadosam ente y p o r fin concluyeron que había buenas razones para sospechar de errores sistemáticos.

En cualquier caso, la juvenil confianza de Einstein en su teoría p ron to resultó confirm ada. En experim entos en 1908, Bucherer, tan com petente com o K aufm ann tan to en teoría com o en experim entos, m idió la deflacción eléctrica y m agnética de los rayos beta de una m anera disfinta a Kaufm ann. Sus resultados tam bién eran distintos y con- ducían a una confirm ación de la teoría de Lorentz-Einstein. Respecto al hecho de que Bucherer m ism o hubiera propuesto una teoría electrónica rival, que había recibido cierto apoyo por los experim entos de Kaufm ann, es notable que no dudara en criticar estos experim entos y en concluir a partir de los suyos que sólo la teoría de Lorentz era viable. Por aquel entonces, Bucherer había perdido confianza en su propia teoría del electrón de volum en constante porque la contradecían los fenóm enos de dispersión. Por lo tanto , consideraba que su experim ento era una p rueba entre sólo dos alternativas, la de A braham y la de Lorentz. Los experim entos de Bucherer eran m ucho más transparentes que los de K aufm ann y más difíciles de criticar. Pero p o r supuesto no estaban p o r encim a de la crítica y no constituyeron un experim ento crucial a favor a la teoría de Lorentz-Einstein. D urante los años siguientes los experim entos '' sobre todo en A lem ania, e hizo falta cierto tiem po para que la situación ' se estabilizara con el resultado de que quedó generalm ente aceptado que ؛ة variación de la m asa de Lorentz-Einstein estaba confirm ada experim entalm ente. En 1914 la cuestión estaba resuelta en su m ayor parte. Sin em bargo, no era una ' com pleta, y las discusiones con tinuaron m uchos años después de que la teoría de Ein- stein firera aceptada y de que la cosm ovisión electrom agnética cayera en el olvido.

No seguirem os con esta h istoria salvo para m encionar que la cuestión de la varia- ción de la m asa adquiriría una d im ensión política después de 1920, cuando em pezó a florecer el an t؛rrelat؛vismo en algunas facetas de la vida cultural alem ana. M uchos fís؛- eos conservadores ansiaban la llegada del d ía en el que la teo ría de E instein fuera reem plazada por una teoría basada en el éter o en conceptos electrom agnéticos. Iró n؛- cam ente, entre estos conservadores se hallaban algunos de los antiguos partidarios de la cosm ovisión electrom agnética que, años atrás, se habían considerado a sí m ism os audaces progresistas en su lucha contra el anticuado ' ' A braham , o tro raa h ir re v o lu c io n a r io , fue uno de los que nunca aceptó la relatividad y que protestó


contra una física sin éter. Bucherer, o tro de los revolucionarios electrom agnéticos, que contribuyó de m ala gana a la victoria de la relatividad, se convirtió en los años veinte en u n ardiente antirrelativista en el ala derecha de la física alem ana. Ante esta situación, se llevaron a cabo nuevos experim entos sobre la variación de la m asa del electrón, m u chas veces con claras intenciones de refutar la teoría de la relatividad y, de hecho, algunos de los antirrelativistas concluyeron que sus experimentos confirm aban la vieja teoría de A braham y refutaban la de Einstein. O tros físicos, incluyendo a Becherer, aceptaban la fórm ula de Lorentz-Einstein pero eran cuidadosos al d istinguir entre la fórm ula y la teoría de Einstein. «Hoy», escribía Bucherer en 1926, «la confirm ación de la fórm ula de Lorentz no se puede aducir com o u n a p rueba de la teoría de la relatividad einsteiniana» (Kragh 1985, p. 99).

El declive de una cosmovisión

Los experim entos electrónicos fueron un factor en el declive de la cosm ovisión electrom agnética, pero form aban sólo un factor entre otros m uchos. M ientras que los experim entos están sujetos a pruebas experim entales, las cosm ovisiones no lo están. De hecho, la posibilidad de una física to talm ente electrom agnética, que englobara to dos los aspectos de la realidad física, nunca fue probada com o errónea, sino que se desvaneció según fue perdiendo su atractivo inicial. Es difícil ser revolucionario por un periodo largo, especialm ente si las elevadas esperanzas de un fu turo m ejor no m uestran señales de hacerse realidad. En 1914 com o m uy tarde la cosm ovisión electrom agnética había perdido su m agia y el núm ero de sus partidarios dism inuyó a un pequeño grupo en la periferia de la física convencional. Poco después del estallido de la P rim era G uerra M undial, Emil W arburg editó un libro en una serie denom inada Cultura contemporánea (Kultur der Gegenwart), con tre in ta y seis artículos resum iendo distintas áreas de la física. Entre los autores de esta obra semioficial se contaban físicos prom inentes de la cu ltura alem ana, incluyendo a W iechert, Lorentz, Rubens, W ien, Einstein, K aufm ann, Zeem an y Planck. El contenido del libro puede servir com o ind icativo de la com posición de la física en aquellos tiem pos:

Mecánica 79 páginasAcústica 22 páginasCalor 163 páginasElectricidad 249 páginasÓ ptica 135 páginasPrincipios generales 85 páginas

Los capítulos sobre el calor incluían no sólo la radiación del cuerpo negro, sino tam bién el artículo de Einstein sobre «Atomística teórica», es decir, la teoría cinética de la m ateria. Entre los trece artículos de la categoría sobre electricidad, había uno sobre telegrafía inalám brica, uno sobre rayos X y dos sobre radiactividad. El artículo sobre la


teoría de la relatividad, escrito po r Einstein, estaba colocado en la categoría de P rincipios generales. La cosm ovisión electrom agnética apenas era visible y aparecía tan sólo indirectam ente en el artículo de Lorentz sobre «La teoría de Maxwell y la teoría electrónica».

¿Por qué perdió vapor el p rogram a electrom agnético? El proceso del declive fue com plejo, e involucró tan to m otivos científicos com o razones relacionadas con cam bios en el clim a cultural de la época. C om o se ha m encionado, las predicciones experim entales, com o las que se derivan de la teoría de A braham , no estaban de acuerdo con los resultados de los experim entos reales. Por o tro lado, ésta no era realm ente una causa principal del declive, ya que el electrón rígido no era un ingrediente necesario de la cosm ovisión electrom agnética: de m ayor im portancia era la com petición de otras teorías que o bien se oponían a la im agen electrom agnética o am enazaban con convertirla en superflua. A unque la teoría de la relatividad se confundía a veces con la teo ría electrónica de Lorentz o se m anten ía que era com patible con la cosm ovisión electrom agnética, alrededor de 1912 era evidente que la teoría de Einstein era de naturaleza m uy distinta. N o tenía casi nada que decir sobre la estructu ra de los electrones y con el creciente reconocim iento del pu n to de vista relativista, esta cuestión -algunos años antes considerada esencial- cam bió drásticam ente de estatus. Para m u chos físicos, se convirtió en una pseudo-cuestión. Igual que el surgim iento de la teoría de la relatividad hacía la vida difícil para los entusiastas electrom agnéticos, tam bién lo hacía el surgim iento de la teoría cuántica. Sobre 1908, Planck llegó a la conclusión de que existía un conflicto fundam ental entre la teoría cuántica y la electrónica, y recibió un cauto apoyo de Lorentz y otros expertos. Parecía que no había m anera de derivar el espectro del cuerpo negro sobre una base puram ente electrom agnética. Según la teo ría cuántica fue ganando en im portancia, la teoría electrónica iba perdiéndola por m o m entos: lo peor que le puede ocu rrir a u n a revolución proclam ada es que no sea necesaria.

En general, la teoría electrónica tenía que com petir con otros desarrollos en la física que no dependían de esta teoría y después de 1910 los nuevos desarrollos en la física sustrajeron interés de la teoría electrónica. Tantos nuevos e interesantes sucesos ocurrían que ¿por qué m olestarse con el com plicado y dem asiado am bicioso in ten to de fundar toda la física en cam pos electrom agnéticos? El á tom o nuclear de Rutherford, los isótopos, la teoría atóm ica de Bohr, la difracción de rayos X p o r cristales, el descubrim iento de Stark del desdoblam iento de las líneas espectrales, la interpretación del sistema periódico de M oseley basada en rayos X, la extensión de Einstein de la relatividad a la gravitación y o tras innovaciones absorbieron la energía intelectual de los físicos y dejaron atrás la cosmovisión electrom agnética. Era un bello sueño, de acuerdo, pero ¿era física? Se avanzaba rápidam ente en física atóm ica y, m ientras que se entendía cada vez m ejor la estructura del átom o, iba siendo cada vez más difícil m antener la cosm ovisión electrom agnética. La carga positiva había sido un problem a de la teoría a tómica desde 1896, cuando el efecto Zeem an indicó que los electrones llevan carga negativa. Una teoría de la m ateria en arm onía con cosm ovisión electrom agnética necesitaba


electrones positivos, pero no se encontró n inguno. En 1904, un físico británico, H aroid A. W ilson, sugirió que la partícula alfa era el electrón positivo («exactam ente similar en carácter a un electrón negativo ordinario») y que su m asa era de origen puram ente ' es decir, satisfacía la expresión 2/3 e2IR2c. El precio que había que pa-

gar era que la partícula alfa debía tener entonces un radio varios miles de veces m enor que el del electrón negativo. C on ا ؛ا identificación de las partículas alfa con los átom os de helio, el precio resultó ser dem asiado alto. O tras sugerencias para in troducir electrones positivos electrom agnéticos no tuvieron m ayor éxito y con el descubrim iento de R utherford de las verdaderas partículas positivas - lo s núcleo$ atóm icos de m asa m u- chos miles de veces la del e lec tró n - la atractiva sim etría entre cargas elem entales positivas y negativas $c perdió.

Por o tra parte, los avances en física atóm ica podían ser in terpretados (com o de hecho a veces se hacía) de tal m anera que estuvieran cualitativam ente de acuerdo con la visión electrom agnética. R utherford m ism o se inclinaba p o r esta idea, de que toda la m ateria era de naturaleza eléctrica, y en 1914 argum entó que la pequeñez del núcleo de hidrógeno era justam ente lo que cabía esperar si era de origen enteram ente electro- m agnético. O tros investigadores pioneros de física nuclear le siguieron, y no fue sino hasta los años veinte en que la m asa electrom agnética desapareció de esta área de la fí- sica. Esto no significa, sin em bargo, que R utherford y sus colegas fueran partidarios de la cosm ovisión electrom agnética o de la teoría electrónica en el sentido continental. No ' es u n accidente que la m ayoría de los que contribuyeron a la teoría electrónica fueran alem anes y que m uy pocos, si es que alguno, fueran ingleses. Existían sutiles diferencias entre las actitudes alem ana y británica. U na cosa era creer en la teoría electrónica de la m ateria, com o hacían m uchos físicos británicos, y o tra elim inar todos las leyes ٢ conceptos m ecánicos en favor de o tros electrom agnéticos, com o los que A braham y sus aliados in ten taban alcanzar. En todo caso, la hipótesis de que los núcleos atóm icos eran de origen electrom agnético se apoyaba en la fe y no en u n a evidencia experim ental. Ai contrario que los electrones, los núcleos o iones no podían acelerarse a las velocidades extrem as que eran necesarias para p robar qué parte de su m asa era electrom agnética ٢

qué parte mecánica.

Teorías de campo unificadas

En 19f0, el p rogram a electrom agnético original de W ien, A braham y sus aliados había encontrado serios problem as, en parte po r su oposición a la progresista teoría de la relatividad. N o existía necesariam ente contradicción alguna entre ط visión electro- m agnética y la relatividad especial, sin em bargo, y en la segunda década del siglo, u n o؛ pocos físicos revitalizaron el program a electrom agnético incorporándolo den tro de ط teoría de la relatividad de Einstein. El m ism o Einstein estaba m uy interesado en este tipo de teoría electrom agnética unificada, que tam bién atraía el interés y respeto de otros físicos m atem áticos, incluyendo a H ilbert, Pauli, Som m erfeld, B orn y Weyl. El fisico alem án Gustav M ié, de la Universidad de Greifswald, fue el m ás productivo y emi-


Inente de ,؛٢١؟ contribuyentes a la últim a fase del p rogram a electrom agnético. Al contra- n o que A braham y la m ayoría de los partidarios de la p rim era fase del program a, M ié re p ta b a la teoría de la relatividad y utilizaba al m áxim o sus conceptos y m étodos m a- tem áticos. Por ejem plo, la invar؛anc،a de Lorentz y la noción de un espacio-tiem po te؟

d^:؛ im en sio n a l eran partes im portan tes de la teoría de Mié. Sin em bargo. M ié estaba com ء3 pleto acuerdo con la visión física de sus predecesores: que en últim o térm ino el :ûndo consiste en estructuras en un éter electrom agnético. La siguiente descripción de 1911 p roporciona la esencia de la cosm©vi$ión electrom agnética y m uestra que el pun to de vista de M ié era básicam ente el m ism o que el de físicos anteriores com o Lar- mor, W ien, Lorentz y A braham :

Las partícu las elem entales m ateriales [...] son sim plem ente lugares singulares en el

éter en los que cnnvergen las líneas de esfuerz© eléctrico del éter; b revem ente, son «nu-

dos» del cam po eléctrico en el éter. Es m uy notab le que estos nudos estén siem pre con-

finados en estrechos lím ites, es decir, en lugares llenos de partícu las elem entales [...].

Toda la diversidad del m u n d o sensible, a p rim era vista sólo un desordenado espectácu-

lo de brillantes colores, se reduce ev iden tem ente a procesos que tienen lugar en u n a ún i-

ca sustancia m undial: el éter. ¥ los procesos m ism os, a pesar de toda su increíble com ple-

jidad, satisfacen u n arm onioso sistem a de unas pocas leyes sim ples y m atem áticam ente

transparen tes. (Vizgin 1994, pp. 18 y 27)

La teoría de Mié, que desarrolló en tres largos artículos en 1912-1913 (que sum a- han 132 páginas), era prim eram ente u n a teoría de las partículas elementales. M ié que- n a incluir tam bién la gravitación en su teoría, pero no consiguió dar cuenta del cam - لم gravitatorio m ediante las m؛،smas ecuaciones electrom agnéticas que utilizaba en su teoría de la m ateria

Mié creía que el electrón era una m inúscula porción del éter en un «estado singu- ،ar particular» y lo representaba com o si consistiera en «un núcleo que tiende cuntí- nuam ente a una atm ósfera de carga eléctrica que se extiende hasta el infinito» (Vizgin 1994, p. 28). Es decir, estrictam ente el electrón no tenía un radio definido. Cerca del centro del electrón, la fuerza de los cam pos electrom agnéticos sería enorm e y M ié pensaba que en tales circunstancias las ecuaciones de Maxwell ya no serían válidas. Por lo tanto, desarrolló u n conjunto de ecuaciones electrom agnéticas no lineales generalizadas que, a distancias relativam ente grandes del núcleo del electrón, se correspondían con las ecuaciones del electrom agnetism o ordinarias. A partir de las ecuaciones fundam entales de Mié, era posible calcular las cargas y masas de las partículas elem entales, expresadas m ediante una «función del m undo». Éste era un avance notable y la pri- m era vez que un m odelo de cam pos para partículas se había desarrollado de una m anera m atem áticam ente precisa. Es interesante que Mié, al desarrollar el form alism o, utilizara m étodos m atriciales, una ram a de la m atem ática aplicada que ^ s te r io rm e n - te se in troduciría en la m ecánica cuántica. El avance estaba lim itado al p rogram a m a- tem ático, sin em bargo, y la grandiosa teoría era claram ente estéril en lo tocante a la fí-


sica real. En 1913 se conocían dos partículas elem entales, el electrón y el p ro tón , y sus propiedades se podían derivar de la teoría en principio. Lástima que, de m om ento , era sólo en principio, ya que la form a de la función del m undo que aparecía en las ecuaciones era desconocida. Por o tro lado, tam poco se podía probar que no hubiera funciones del m undo com patibles con la existencia de electrones y protones, y los creyen- tes en el p rogram a de M ié podían p o r lo tan to sostener que fatu ros desarrollos podían llevar al éxito.

A unque la teoría de M ié nunca llegó a los resultados que se esperaban, no dejó de tener consecuencias. Influyó en algunos de los trabajos de Einstein, H ilbert, Weyl y otros y hasta tan tarde com o los años trein ta, M ax Born reconsideró la teoría de Mié com o u n candidato para un m arco clásico para el desarrollo de una ' cuántica consistente. Lo que atraía a algunos físicos m atem áticos de los años veinte no era tan to los detalles de la teoría de M ié com o su espíritu y m étodos. C om o Weyl ex- presó en 1923: «Estas leyes físicas [de M ié], p o r tanto, nos perm iten calcular la m asa y carga de los electrones, y los pesos atóm icos y cargas atóm icas de los elem entos individuales m ientras que, hasta ahora, siem pre habíam os aceptado a estos últim os constituyentes de la m ateria com o cosas dadas, con sus propiedades num éricas» (Vizgin 1994, p. 33).

El objetivo de una teoría unificada es en tender la riqueza y diversidad del m undo en térm inos de un único esquem a teórico. La m asa y carga del electrón, po r ejemplo, se consideran generalm ente propiedades contingentes, es decir, sim plem ente resulta que las cantidades son las que son («cosas dadas»). No se siguen de m anera única de n inguna ley física y, p o r esta razón, es posible que pudieran ser distintas de lo que son. De acuerdo al pun to de vista de los unificacionistas, la m asa y carga de un electrón (y, en general, las propiedades de todas las partículas elementales) deben derivarse en úl- tim a instancia de la teoría; deben dejar de ser cantidades contingentes para convertirse en cantidades gobernadas por leyes. No sólo esto, sino que tam bién el núm ero y tipo de partículas elem entales debe seguirse de la teoría; no sólo las partículas que se conocen en un m om ento dado, sino las que todavía no se han descubierto. En otras palabras, una teoría unificada verdaderam ente de éxito debería ser capaz de predecir la existencia de partículas elementales; ni más de las que existen en la naturaleza, ni menos. £sta es una tarea form idable, especialm ente porque las teorías físicas no pueden evitar apoyarse en lo que se conoce em píricam ente y por lo tan to deben reflejar lo más pun tero de la física experim ental. En 1913 se conocían el electrón y el pro tón , y por tan to M ié y sus contem poráneos diseñaron sus teorías unificadas de acuerdo con la existencia de estas partículas, ?ero las im presionantes teorías del program a electro- m agnético no tenían poder predictivo real. C on toda su grandeza y avanzada m aquinaria m atem ática, la teoría de M ié era u n fru to de su época y no estaba en absoluto preparada para la avalancha de descubrim ientos de partículas que sucedió en los años treinta. C uando Custav M ié m urió en 1957, el m undo de las partículas y cam pos era radicalm ente diferente del de 1912. Era m ucho más com plejo y m ucho m enos atractivo para la d ase de grandes teorías unificadas de las que él había sido un p ionero en la


rn m e ra parte del siglo. Unas décadas después de la m uerte de Míe, por o tra parte, las ؛ randes teorías unificadas volverían al p rim er plano de la física y prom eterían una cos- m ovisión unificada que, en u n sentido general, com partía algunas de sus característi- :as con el antiguo p rogram a electrom agnético. Para más inform ación sobre estas teo rías unificadas m odernas, véase el capítulo 27.

CAPÍTULO 9

La física en la industria y en la guerra

La física industrial

La física no es sólo la académica, enseñada y cultivada en universidades e instituciones similares con el propósito de penetrar aun m ás p rofundam ente en los secretos de la naturaleza. U na gran e im portan te parte de la física consiste en la aplicación del conocim iento físico con fines tecnológicos, o m ás bien en desarrollar nuevas clases de conceptos, teorías y aparatos que pueden utilizarse para tales fines. La física aplicada o de ingeniería ha resultado ser esencial en m uchas ocasiones para el progreso tecnológico, pero sólo en raros casos han surgido nuevas tecnologías d irectam ente a p artir del conocim iento científico. En la m ayoría de los casos de las llam adas tecnologías basadas en ciencia, la conexión entre ciencia básica y tecnología es com pleja e indirecta.

La utilidad de la física no es, po r supuesto, un asunto m oderno. Por el contrario, la idea de que la física pueda llevar a innovaciones tecnológicas beneficiosas para la h u m anidad es una parte integral de la historia de la física desde los días de Bacon y Gali- leo. Sin em bargo fue sólo en la segunda m itad del siglo xix cuando, de m anera apreciable, la retórica iba seguida de la práctica. Según el siglo tocaba a su fin, iba siendo todavía más evidente que la física podría tener un potencial tecnológico de la m ism a m agnitud que la quím ica, la ciencia que había probado su carácter de fuerza productiva antes y más visiblemente. Éste era u n im portan te elem ento en el creciente apoyo a la investigación física de la época y era una opinión com partida po r m uchos físicos. Uno de ellos era Emil W arburg, el director de u n nuevo instituto de física en la Universidad de Friburgo. Con ocasión de la inauguración del institu to en 1891, argum entaba: «En lo tocante a la física, la llam ada ascensión de las ciencias naturales, que caracteriza los tiem pos m odernos, no se basa en el núm ero y significación de los descubrim ientos ni en los principios de investigación. Se debe m ucho m ás al efecto m ucho m ayor que esta ciencia ejerce sobre la vida civil y sobre las ram as de la tecnología que dependen de ella. Y, podríam os añadir, a los contraefectos que resultan a su vez» (C ahan 1985, p. 57).

La física en la industria مر en la guerra 119

A partir de esa época, un núm ero creciente de físicos em pezó a trabajar en física ap li' cada, técnica o industrial, b ien en industrias privadas, en instituciones politécnicas o en instituciones de investigación sin ánim o de lucro. La «física industrial» despegó en los años veinte, pero aún antes del estallido de la P rim era G uerra M undial esta clase de fí- $ica no académica, y otras, se establecieron firm em ente en los países más im portantes.

Las áreas de la física m ás adecuadas para la aplicación industria l eran los cam pos clásicos com o term odinám ica, electrom agnetism o, óptica y ciencia de materiales; la

nueva física», con cam pos conro radiactividad, relatividad y teoría cuántica y atóm i- ca, no producía inm ediatam ente aplicaciones prácticas a gran escala. Pero hasta un cam po nuevo y exótico com o la radiactividad era de interés industrial, y el trabajo con « tán d a re s de radiación se convirtió en una parte im portan te de los prim eros laboratorios que se especializaron en m edidas radiactivas. M arie (]urie se suele presen tar tra- ” com o la hero ína de la física pura, pero la pureza de su trabajo no im pi-

dió que estuviera bastante ocupada estableciendo un estándar in ternacional del radio ١■ asegurando lazos con la industria francesa del radio. Para Curie, el trabajo con orien- tación a la industria era u n a parte na tu ra l e integrada de su trabajo científico. A partir de 1905 aproxim adam ente existían estrechos lazos entre el laboratorio de los Curie y la com pañía de Arm et de Lisie, u n industria l quím ico. La d im ensión industria l se ex- tendía al laboratorio y a los cursos sobre radiactividad ofrecidos en el Institu í نال Ra- dium en París, que atraían a m uchos científicos que trabajaban en la industria . «No era poco com ún que los colaboradores de C urie llevaran una doble vida en ciencia e industria», observaba un reciente estudio (Roqué 1997b, p. 272). £1 o tro centro principal d e ط investigación radiactiva inicial, el Institu to de Investigación del Radio en Viena, fundado en 1908, servía a funciones industriales y m etrológicas similares a las del institu to de París. Los físicos vieneses cooperaban con la C om pañía Auer, que procesaba m inerales de uran io con el fin de ob tener el valioso rad io (en form a de cloruro de radio) que era de tan gran interés para la ciencia y la industria.

£1 Physikalisch-Technische Reichsanstalt en Berlín, ftrndado en 1887 p o r iniciativa de W erner von Siemens y H erm ann von H elm holtz, era quizá la m ás im portan te de las instituciones p ioneras de física aplicada. £1 objetivo del institu to de Berlín era aplicar la física a innovaciones técnicas útiles para la industria alem ana y así, p o r im plicación, para el país. Ya que, com o Siemens escribió al gobierno prusiano, «en la com petición entre naciones, que en estos m om entos se incentiva tan activam ente, el país que pri- m ero explora nuevos cam inos [científicos] y prim ero los desarrolla en ram as establecidas de la industria , es el que tiene una ventaja decisiva» (H oddeson etal. 1992, p. 13). Helm holtz, el p rim er presidente del Reichsanstalt, estaba ansioso por convertirlo en una institución de investigación y no m eram ente un sitio donde el conocim iento establecido se aplicara pasivam ente a la resolución de problem as industriales. Su sucesor, Friedrich Kohlrausch, en el cargo entre 1895 y 1905, expandió considerablem ente la institución y la convirtió en el principal centro m undial de física aplicada y m edidas de precisión. En 1903 el Reichsanstalt consistía en diez edificios y daba em pleo a 110 personas, de las cuales 41 se ocupaban del trabajo científico. La im portancia del Reich-


sanstalt en prom over y asistir a las industrias de alta tecnología era tam bién recon،*:؛- da en o tros países, y o tras naciones establecieron instituciones similares. £1 £ab©rato- rio Físico N acional en Inglaterra (1898), la Oficina N acional de £stándare$ de los Es- tados U nidos (1901) y el Institu to de Investigación Física y Q uím ica en Japón (1917 . frieron todos fondados im itando al Reichsanstalt. A unque en el institu to se llevaba ق cabo m ucba investigación original, tan to básica com o aplicada, las tareas p r؛؛cticas, por ejem plo, pruebas, eran de m ayor im portancia económ ica y se llevaban gran parte de los recursos. Un enorm e núm ero de pruebas se realizaron, especialm ente de term óm e- tros y tóm paras eléctricas (por ejem plo, entre 1887 y 1905, se p robaron casi 250 س. term óm etros). £ste trabajo ru tinario contribuyó al declive científico del Reichsanstalt y a la deserción de científicos de talento hacia la universidad, lo cual fue un problem a especialm ente du ran te la presidencia de Em il W arbnrg (1905-1922).

D onde más avanzada era la aplicación de la física en las industrias privadas era en los £stados U nidos, donde varios laboratorios de investigación industrial se ftindaron en ط prim era parte del siglo, p rincipalm ente en la industria eléctrica. Al contrario que en los laboratorios tradicionales de p rueba y contro l de calidad, la investigación cien- tífica ocupaba u n lugar p rom inen te en los nuevos laboratorios, cuyo personal estaba form ado en universidades, m uchas veces con grados doctorales. Tam bién al contrario que la situación en m uchos países europeos, existían estrechos contactos entre físicos académ icos estadounidenses y los que trabajaban para grandes industrias. Los físicos académ icos trabajaban a m enudo com o consultores para la industria, y los físicos aplicados con tribu ían frecuentem ente a la literatura científica académ ica. La diferencia entre física pu ra y aplicada podía ser difícil de distinguir a veces. En 1913 los físicos de laboratorios industriales com ponían el 10 p o r 100 aproxim adam ente de los m iem bros de la A m erican Fhysical Society; siete años después, cuando el núm ero de m iem bros se había doblado, com ponían el 25 por 100 aproxim adam ente. La im portancia científica de los laboratorios industriales queda ilustrada adicionalm ente p o r la d istribución de artículos en Physical Review. En 1910, sólo el 2 por 100 de los artículos tenían su origen en laboratorios industriales; cinco años después, la p roporción se había elevado drásticam ente al 14 po r 100 y en 1920 el núm ero era del 22 p o r 100. Las com pañías con investigación m ás intensiva eran, con m ucho, los dos gigantes electrotécnicos, Ge- neral Electric y Am erican Telephone and Telegraph Com pany (AT&T), que contribuían más a la física pu ra que m uchas universidades. La ftierza científica de las dos com pa- ñías queda ilustrada por las cifras de los años 1925-1928, cuando 27 contribuciones a Physical Review provenían de G eneral Electric y 26 de Bell Telephone Laboratories, la ram a de investigación de AT&T. En com paración, la Universidad de C olum bia contri- buyó con 25 artículos y Yale con 21 (el p rim ero era el Institu to de Tecnología de Cali- fornia, con 17 artículos). En aquella época, Bell Laboratories era la institución más grande y m ás rica del m undo para la investigación industrial. C on u n personal técni- co de 3.390 personas y un personal de investigación de 600 científicos e ingenieros, Bell Laboratories inició la era de la g ran ciencia. Los gastos de AT&T en investigación y desarrollo, m edidos en dólares de 1948, crecieron de 6,1 m illones en 1916 a 10,8 m illo

La física en la industria y en la guerra 12f

nes en 1920; en 1926 los gasto$ fueron 16,6 m illones y en 1930 la cifra se increm entó a 31,7 m illones. (A pesar de que las cifras sean tan altas, son sólo un preludio al desarrollo aun más explosivo que ocurrió después de 1945. En 1981, poco después de que AT&T fuera sentenciada a descom ponerse en varias com pañías m enores e independientes, el núm ero de em pleados de Bell Laboratories era de 24.078, de los cuales 3.328 tenían grado de doctor. En ese año, AT&T proporcionó a Bell Laboratories no m enos de 1.630 m illones de dólares.

A unque AT&T era excepcional, era sólo una de un núm ero creciente de com pañías estadounidenses que em pleaban a científicos. En 1931, m ás de 1.600 com pañías infor- m arón al Consejo de Investigación N acional sobre laboratorios que em pleaban casi 33.000 personas. Nueve años después, m ás de 2.000 em presas tenían laboratorios de investigación, que em pleaban a un total de unas 70.000 personas.

Las industrias europeas siguieron la tendencia estadounidense, pero no al m ism o ritm o e intensidad. Los relativam ente escasos físicos de laboratorios industriales en Eu- ropa no contribuyeron m ucho a la literatura de física pura. La com pañía electrom ecá- nica m ás grande de Europa, la com pañía Siemens en A lem ania, reconocía el valor de la investigación científica aplicada pero no tenía u n departam ento central de investiga- ción com parable a los de sus rivales estadounidenses. Sólo en 1920 se form ó tal departam ento, bajo el físico H ans Gerdien, form ado en G otinga. El nuevo laboratorio de in- vestigación publicaba su propia revista, titu lada Wissenschaftliche Veróffentlichungen aus dem Siemens-Konzern, sim ilar en m iras y contenido al The Bell System Technical Journal. Sin em bargo, la revista de Siemens no tuvo la m ism a im portancia científica que su contraparte estadounidense. C onsiderarem os a continuación dos im portan tes casos de física aplicada, los dos relacionados con aspectos de la electrónica.

Electrones trabajando, I: la telefoNÍa a larga distancia

El teléfono de A lexander G raham Bell no fue un producto de la ciencia. D uran te las prim eras dos décadas de la telefonía, el nuevo sistem a de telecom unicaciones se desa- rrolló de m anera em pírica, guiado (m uchas veces, erróneam ente) sólo po r la teoría te- legráfica q u e ^ 'illia m T hom son había in troducido en 1855. C uando resultó que era di- fícil conseguir u n a buena com unicación de voz a distancias de m ás de unos pocos cientos de kilóm etros, los ingenieros sugirieron reducir la resistencia y capacidad del sistem a de línea. La auto inductancia se consideraba ' de u n a cantidad da- ñina, que se podía reducir pasando de hilos de h ierro a hilos de cobre; sin em bargo, estos m étodos para extender la distancia para hablar tuv ieron un efecto bastante lim itado y sobre 1895 quedó cada vez m ás claro que los m étodos em píricos de los ingenieros telegráficos nunca producirían telefonía de calidad a largas distancias. Era el m om en- to de aplicar procedim ientos m ás científicos basados en la física.

De hecho, estos procedim ientos se habían aplicado ya en 1887, cuando “ en Francia y ©liver Heaviside en Inglaterra analizaron teóricam ente la transm isión de corrientes telefónicas a p artir la teoría eléctrica fundam ental, © btuvieron fórm ulas


para la variación de la atenuación y d istorsión con los parám etros eléctricos de la línea y concluyeron que la autoinductancia era beneficiosa: cuanto m ás hubiera en una línea, mejor. Los trabajos de Vaschy y Heaviside no se m aterializaron en m étodos prácticos sino hasta m ucho después y, en Inglaterra, las recom endaciones de base científica de Heaviside encon traron la resistencia de ingenieros pertenecientes al poderoso Servicio de Correos. Fue en Estados U nidos y, en una escala m enor en D inam arca, donde la teo- ría de Vaschy-Heaviside se transfo rm ó en tecnología práctica po r prim era vez.

N o se daba alta p rio ridad a la investigación científica en los prim eros años de la Bell Telephone Com pany, pero H am m ond ! layes, u n físico form ado en la universidad que era em pleado de Bell, urgió a que la com pañía pusiera más énfasis en la investigación. En 1897 con trató a George C am pbell para que desarrollara el tipo de cables de alta inductancia que había sugerido Heaviside. En su enfoque y form ación, Cam pbell era dis- tim o de los ingenieros y técnicos que trabajaban entonces en telegrafía y telefonía, y esta diferencia fue de crucial im portancia para su éxito. C am pbell tenía una ftrerte form ación en física teórica, ob tenida en el MIT, H arvard y tres años en Europa, donde estudió con em inencias com o Foincaré, Boltzm ann y Félix Klein. Totalmente familia- rizado con los trabajos de Vaschy y Heaviside, Campbell utilizó sus habilidades m atem á- ticas para desarrollar una teoría de cables (o antenas) «cargadas» con bobinas de inducción espaciadas discretam ente. El resultado, com pletado en el verano de 1899, fue un análisis m atem ático de la línea cargada de bobinas, que predecía dónde colocar las bobinas en el circuito, cuánto cargarlas, y la d istribución de cobre más eficaz entre el cable y las bobinas. Cam pbell se dio cuenta de que la solución tecnológica no podía obtenerse m ediante m étodos em píricos y que sería interesante para la com pañía atacar el problem a a través de ط física teórica. C om o escribió en un m em orando de 1899, «por econom ía, hay que avanzar la teoría lo m ás posible y dejar lo m enos posible a m étodos de ensayo y error» (Kragh 1994, p. 155). La innovación de Campbell tenía un objetivo práctico, pero no era por ello m enos científica. Publicó su teoría de cargas en 1903, no en una revista de ingeniería, sino en la distinguida revista de física Philosophical Magazine.

M ichael Pupin , u n profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de C olum bia nacido en Serbia, obtuvo a la vez, e independientem ente, resultados m uy similares a los de Cam pbell. C om o Cam pbell, Pupin tenía una firerte form ación en física teórica (ha- bía estudiado bajo K irchhoffy H elm holtz) y no confiaba en los m étodos de ensayo y erro r que todavía dom inaban gran parte de la profesión ingenieril. Poseía la ventaja frente a Cam pbell de que era un investigador de universidad libre, no un hom bre de em presa y, po r esta razón, entre otras, consiguió en 1900 obtener una patente para su sistema de carga de bobinas (o «pupinización», com o se conocería). Tras una larga disputa legal, AT&T com pró los derechos para explotar la patente y la patente alemana de Pupin fue sim ilarm ente com prada p o r Siemens y Halske.

La prim era línea cargada con bobinas se construyó en 1901; a lo largo de la siguiente década el sistem a de carga se convirtió en el esqueleto de u n gran núm ero de líneas de larga distancia, tan to en Am érica com o en Europa. La innovación basada en el trabajo de C am pbell y Pupin fue un gran éxito com ercial y una gran propaganda

La física en la industria y en la guerra 123

para la utilidad de la física teórica. A finales de 1907, el g rupo de compañía$ Bell Te- lephone había equipado 138.000 km de circuito de cable con unas 60.000 bobinas de carga. C uatro años más tarde, cuando el núm ero de bobinas se había increm entado a 130.000, la com pañía estim ó que había ahorrado unos 100 m illones de dólares con la invención de circuitos cargados de inducción. Al igual que los físicos y quím icos desem peñaron u n papel protagonista en la invención y desarrollo del sistem a de carga en Estados U nidos, tam bién lo hicieron en Europa, donde las com pañías alem anas eran las líderes del cam po. La prim era línea telefónica europea equipada con bobinas Pupin la construyeron Siemens y Haíske en 1902, basándose en experim entos de August Ebe- ling y Friedrich Dolezalek. Sus carreras indican los crecientes contactos entre físicos de la industria y académicos: Ebeíing había estudiado con H elm holtz, trabajado con Wer- ner von Siemens y pasado cinco años en el Physikalisch-Technische Reichsanstalt hasta que se convirtió en un ingeniero p rincipal en Siem ens y Halske; D olezalek había estudiado con N ernst y, tras un periodo con Siemens y Hanske, volvió al m undo aca- dém ico para sustitu ir a su antiguo profesor com o director del institu to de quím ica fí- sica en la Universidad de Gotinga.

En el caso de A lem ania y la m ayoría de los otros países europeos, había o tro factor im portan te que faltaba en la escena estadounidense: instituciones gubernam entales. La tecnología de telecom unicaciones alem ana estaba apoyada p o r el Reichpost, que tenía su propio equipo de investigadores cualificados. Su D epartam ento Im perial de Prue- bas Telegráficas, fundado en 1888, incluía a Franz Breisig, u n antiguo estudiante de H einrich H ertz y posiblem ente اة principal experto europeo en teoría de com unicaciones eléctricas.

La ^ p in iz a c ió n , o carga de bobinas, era el m étodo más im portan te de extender la distancia de la telefonía, pero no era el único. Para cables, y especialm ente para cables subm arinos, la alternativa era enrollar densam ente los alam bres de cobre con hierro blando. La idea de la carga continua se rem ontaba a Heaviside, pero hicieron falta quince años hasta que se im plem entó com o tecnología práctica. Esto fue llevado a cabo po r u n ingeniero danés, Cari E. Krarup, que diseñó el p rim er cable subm arino cargado, que se tendió entre D inam arca y Suecia en 1902. K rarup, que había sido estudiante de investigación bajo W ilhelm W ien en la Universidad de W ürzburg, pertenecía a la nueva generación de ingenieros con form ación científica. Los cables continuos del tipo de K rarup se utilizaron extensivam ente duran te tres décadas, p o r ejemplo, en 1921 en el cable de Cayo Oeste a La H abana, de 190 km.

Con el éxito del m étodo de carga, se hizo im portan te diseñar las bobinas Pupin lo más eficazm ente posible, es decir, con una m áxim a perm eabilidad m agnética y una m í- n im a pérdida de energía debida a corrientes de Foucault secundarias. La ciencia de los m ateriales em pezó a ser de crucial im portancia para las em presas telefónicas. Ya en 1902, Dolezalek había obtenido una patente para un núcleo de inducción com puesto de u n polvo de h ierro finam ente m ezclado con una sustancia aglutinadora aislante, pero la idea se transfo rm ó en una innovación tan sólo una década después. En 1911, AT&T había organizado una ram a dentro de su departam ento de Ingeniería en We$-


te rn Electric con el propósito de aplicar la ciencia básica a problem as de telefonía de m anera sistemática. U no de los prim eros frutos del nuevo program a de investigación fue la invención en 1916 de u n núcleo de polvo de hierro. Éstos se em pezaron a producir con fines com erciales rápidam ente en las plantas de fabricación de W estern Elec- trie en H aw thorne, Illinois, que en 1921 alcanzaría una producción sem anal de 25.000 libras de polvo de hierro. Al m ism o tiem po, los investigadores de W estern Electric trabajaban para encon trar un sustitu to del h ierro con propiedades m agnéticas superiores com o m aterial de carga. G ustaf Elmen, nacido en Suecia, desarrolló un m étodo de ca- len tar y enfriar aleaciones de níquel y h ierro de tal m anera que sus perm eabilidades fueran elevadas y su pérdida p o r histéresis baja; el resultado fue la «^ rm aleac ió n » que consistía en aproxim adam ente 20 p o r 100 h ierro y 80 po r 100 níquel. En los 20 esta aleación reem plazó al h ierro en los núcleos Pupin y, sobre 1930, las com pañías AT&T producían m ás de un m illón de núcleos de bobinas de perm aleación p o r año.

De una im portancia sim ilar fue la aplicación de la perm aleación com o m aterial de carga para telegrafía transatlántica. En W estern Electric se desarrolló u n a teoría fiable para este propósito , p rincipalm ente por ©liver Buckley, un físico educado en Cornel، que se había incorporado a la com pañía en 1914 para trabajar con válvulas de vacío ١٢ m ateriales m agnéticos. Tras m ucho trabajo teórico y experim ental, se obtuvo una teo- ría realista que podía guiar la construcción de cables telegráficos cargados de alta velocidad. C uando en 1924 se probó el cable de 3.730 km entre Nueva York y las Azores, operado p o r la W estern U nion Telegraph (]om pany y m anufacturado p o r una com pa- ñ ía británica de cables, cum plió todas las expectativas. La velocidad operativa de 1.920 letras p o r m inu to era de cuatro veces superior al récord de los cables convencionales de tipo Kelvin. La increíble velocidad superó la capacidad de los equipos term inales existentes e hizo necesaria la construcción de grabadoras de alta velocidad para estar a su altura. El éxito de éste y otros cables cargados con perm aleación revitalizó la tele- grafía transoceánica y dem ostró , u n a vez más, el valor práctico y económ ico de la in- vestigación física. En 1924, reflexionando sobre su larga trayectoria com o investigador en el sistem a Bell, Cam pbell concluía que «ظ electricidad es ahora sobre todo un campo para las m atem áticas, y todos los avances en él se logran principalm ente m ediante las m atem áticas».

Electrones trahajanrin^ II: válvulas de vacío

El tubo de electrones (o tubo de radio, o válvula) es u n a de las m ás im portan tes invenciones del siglo XX. Su historia se rem onta a 1880, cuando Edison se dio cuenta de que si una plancha se derretía en una de sus bom billas lum ínicas recién inventadas, una pequeña corriente fluía desde el filam ento a la plancha. El efecto Edison atrajo el interés de ingenieros eléctricos. U no de ellos, el inglés John A m brose Fleming, dem os- tró en 1889 que las partículas em itidas por el filam ento ten ían carga negativa. Una dé- cada después, se llegó a la conclusión de que estas partículas eran electrones. En 1904, Fleming, entonces profesor de ingeniería eléctrica en el U niversity College de Londres

La física en la industria مر en la guerra 125

consultor técnico de la C om pañía M arconi de Telegrafía In a^m b rica , descubrió que las lám paras que usaban el efecto Edison podían utilizarse com o detectores de ondas electrom agnéticas de alta frecuencia. Fleming construyó la p rim era válvula de vacío, un diodo que fue paten tado p o r la C om pañía M arconi en 1905, pero el invento no tuvo éxito. El d iodo resultó dem asiado poco sensible com o para hacer práctico su uso com o detector en telegrafía inalám brica; en lugar de ello, fue el estadounidense Lee De Fo- rest quien construyera la p rim era válvula de vacío práctica. A unque al principio no fuera un gran éxito com ercial, el invento de De Forest en 1906 del triodo (o «audión») fue el com ienzo de la era electrónica. El austríaco Robert von Lieben, o tro de los pió- ñeros de las válvulas, construyó diodos, y más tarde triodos, para su utilización com o am plificadores en telefonía. For aquel entonces, el té rm ino «válvula de vacío» era equí- voco, porque ni De Forest, n i Lieben, ni otros reconocieron al principio la im portancia de un elevado vacío. El diodo original de De Forest era en efecto una válvula de va- cío, pero no estaba altam ente evacuada; creía que los restos de gas eran esenciales para el correcto funcionam iento de la válvula. Las de Lieben de 1910 estaban sólo parcial- m ente vaciadas y operaban con u n vapor enrarecido con m ercurio.

Las válvulas de vacío se convirtieron en maravillas tecnológicas en 1912, principal- m ente gracias a la investigación de com pañías privadas. El experto en el área de AT&T era H arold Arnold, u n joven físico con u n doctorado recién obtenido con M illikan en Chicago. C uando De Forest m ostró su triodo a la Bell Telephone Com pany, A rnold se ،fío cuenta de que el tosco dispositivo se podía desarrollar para constru ir u n potente am plificador o repetidor. R ápidam ente construyó su propia versión m ejorada, en particular m ediante un com pleto vaciado con una de las nuevas bom bas de alto vacío inventadas p o r W olfgang Gaede en A lem ania. (La electrónica de válvulas, igual que otras partes de la física aplicada y experim ental, dependía crucialm ente del progreso en la tecnología del vacío.) M ientras que los p rim eros tipos de válvulas habían sido «blan- ،las» -c o n u n vacío im perfec to - el trabajo en Bell Laboratories p rodujo triodos «duros», en los que la corriente pasaba de m anera puram ente term oiónica y no p o r ioni- zación. O tras m ejoras realizadas p o r A rnold y su equipo incluían el reem plazo del fílam ento candente por un cátodo recubierto de óxido de calcio o de bario; estos cáto- dos, constru idos po r prim era vez p o r el físico A rthu r W ehnelt en 1904, podían operar ه tem peraturas más bajas, y así p ro longaban la vida de las válvulas. Les llevó m enos de un año desarrollar válvulas repetidoras operativas; éstas se probaron en la línea telefó- nica Nueva Y o r l^ ^ s h in g to n en 1913, y dos años m ás tarde dem ostraron su valor CO-

mercial asegurando las conversaciones telefónicas a través de la p rim era línea trans- continental, entre Nueva York y San Francisco. Robert M illikan, que participó en la cerem onia de inauguración, escribió en su autobiografía: «A p artir de esa noche, el electrón -h a s ta entonces básicam ente u n juguete de científicos- había en trado sin duda en el cam po com o u n potente agente en el sum inistro de las necesidades com er- da les e industriales del hom bre [...] La válvula electrónica am plificadora es ahora el ci- m iento en la totalidad del arte de com unicaciones, y esto a su vez es, al m enos en parte, lo que ha hecho posible su aplicación a una docena de o tras artes. Fue u n gran día


tant© para la ciencia com o para la ؛ndu$tr؛a, cuando quedaron enlazadas m ediante el desarrollo del tubo am plificador electrónico.» (M illikan 1951, p. 136). M illikan no m encionó que el gran avance real en la tecnología de válvulas de vacío vino com o resultado de la dem anda duran te la P rim era G uerra M undial. C uando los Estados Uni- dos en tra ron en la guerra en 1917, la p roducción sem anal no pasaba de 400 válvulas; dos años después, la p roducción era de unas 80.000 p o r sem ana.

Los desarrollos en Alem ania eran paralelos a los de Estados U nidos, pero m enos rá- pidos y m enos eficaces. C uatro de las mayores com pañías electrotécnicas (Siemens ١ Halske, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft, Felten und Guilleaum e y Telefunken fo rm aron un consorcio en 1912 que adquirió las patentes de f -eben con el fin de de؛sarrollarlas com ercialm ente. Fue u n erro r centrarse en las válvulas llenas de gas de Lie- ben. Fíicieron falta dos años para que los alem anes se dieran cuenta de que el futuro eran ¡as válvulas de alto vacío; entonces, Telefunken com enzó la producción de triodos de vacío. D urante la guerra, los esfuerzos alem anes para perfeccionar la tecnología de las válvulas de vacío se aceleró (com o lo hizo en otros países beligerantes). Uno de los físicos que investigaban los tubos eraW alter Schottky, u n estudiante de Planck que re- partía su talento entre relatividad general y electrónica. Trabajando a tiem po parcial para Siemens y Halske, Schottky desarrolló y m ejoró ظ válvula de vacío ’ una red adicional entre el ánodo y la red de control habitual. A unque el trabajo de Schottky en esta área no condujo inm ediatam ente a un tubo práctico, fue im portan te porque incluía u n estudio de la física fundam ental de las válvulas de vacío y condujo al descubrim iento de efectos de ru ido discreto, que Schottky explicó m ediante una contribución a la teoría de la inform ación que es ahora clásica. La visión de Schottkv fue considerablem ente desarrollada p o r investigadores posteriores, ' 'F íarry N yquist (en 1928) y C laude Shannon (en 1948), am bos de Bell Laboratories.

En los Estados U nidos, no sólo AT8؛T se ocupaba de la tecnología de válvulas, sino tam bién General Electric. En 1912 W ilham Coolidge, u n físico form ado en la universidad que trabajaba en el Laboratorio de Investigación de la General Electric, había desarrollado las prim eras lám paras incandescentes con filam ento de tungsteno y había iniciado trabajos para m ejorar los tubos de rayos X. Su asistente, Irving ^ n g m u ir , ha- bía estudiado quím ica física con N ernst en G otinga, donde tam bién siguió las clases m atem áticas de Félix Klein. Después de unos años com o profesor en un institu to po- litécnico estadounidense, llegó a General Electric en 1909 y siguió allí du ran te más de cuarenta años. Fue el p rim er científico de em presa en ganar u n prem io N obel (el de Q uím ica, en 1932) y probablem ente el único en contar con una m ontaña bautizada con su nom bre -e l m onte Langm uir en A laska-. En General Electric, Langm uir co- m enzó un p rogram a de investigación sobre descargas eléctricas en gases y vacíos que le condujo a sugerir que la in troducción de gases inertes en la bom billa incandescente extendería la vida de la bom billa. El descubrim iento se convirtió rápidam ente u n una innovación altam ente rentable. Al m ism o tiem po, estudió la em isión de electrones en u n vacío com o un m ecanism o del tubo de vacío. Langm uir se dio cuenta de que el proceso esencial en los diodos y triodos era la em isión de electrones, que requería u n alto

La física en la industria مل en la guerra 127

vacío. Ha$ta entonces, los ingenieros que trabajaban con los nuevos tubos tenían u n escaso en tendim ien to de los m ecanism os físicos, aunque una teoría general de la em isión de electrones p o r cuerpos calientes había sido publicada p o r el físico británico Owen Richardson en trabajos de 1 0 1 و a 1903.

Richardson, estudiante de j. j. T hom son y especialista en teoría electrónica, acuñó el term ino «term oiónico» en 1909 y form uló una ley em pírica que relacionaba el rit- m o de em isión term oiónica con la tem pera tu ra del m etal; du ran te la siguiente década, trabajó intensam ente para p robar y perfeccionar la «ley de Richardson». La teoría fe-

de R ichardson acabó siendo reconocida com o la explicación científica de las válvulas de vacío, pero duran te los años de form ación de los tubos, 1904-1908, su papel fue insignificante. Fue sólo más tarde cuando la teoría asum ió u n a im portancia fandam en ta؛ en la electrónica de válvulas. C uando R ichardson ganó el prem io N o- bel en 929ل, Cari Oseen enfatizó, en su discurso de presentación, la estrecha conexión entre el trabajo de R ichardson en física pu ra y el increíble progreso en la tecnología de com unicación:

E ntre los g randes p roblem as que ١٠$ científicos que trabajan en la investigación en

electrotécnica están in ten tan d o resolver hoy en día, está el de p erm itir que los hom bres

puedan conversar estando cada un o de ellos en cualquier parte del m undo . En 928ل las

cosas hab ían alcanzado un estado en el que pod íam os em pezar a establecer com unica-

ción telefónica en tre Suecia y N orteam érica [...] C ada d u eñ o de u n aparato receptor de

v á i d a s sabe de la im portanc ia de la válvula en el apara to - l a válvula, cuya parte esen-

cial es el filam ento in candescen te - [...] El hecho m ás im p o rtan te es que la op in ió n del

señor R ichardson sobre el fenóm eno term oión ico con leyes fijadas fue confirm ada to-

talm ente. M ediante este hecho se obtuvo una sólida base p ara la aplicación práctica del

fenóm eno. El trabajo del señor R ichardson ha supuesto el a rranque y fom en to de la ac-

tiv idad técnica que ha conducido al progreso del cual acabo de hablar

La presentación del trabajo de Richardson por parte de Oseen com o la base científi- ca a partir de la cual se consiguieron maravillas tecnológicas es exagerada. Fíasta L9L3, aproxim adam ente, la tecnología de válvulas se apoyaba m uy poco en teorías científicas, y el m ism o Richardson m ostró poco interés en cuestiones tecnológicas. En su discurso del Nobel, no m encionó ni la válvula de vacío ni la tecnología electrónica de la cual se suponía que era el padre científico. For o tro lado, Langm uir conocía bien la teoría de R؛- chardson, la cual utilizó para obtener un proftrndo conocim iento del ftm eionam iento de las v á le la s de vacío. En particular, Langm uir confirm ó la expresión de Richardson para la corriente term oiónica y com probó de m odo concluyente que la em isión de electrones no requería u n gas residual. El conocim iento científico del triodo que Langm uir poseía fue un im portan te factor en el desarrollo de la válvula po r parte de General Electric. Los investigadores de General Electric, liderados po r Langm uir y su colega Saúl L)ushman, tuvieron lista su válvula de alto vacío m ejorada en 1913. Uno de los resultados fue un litigio de patentes prolongado en el tiem po con AT&T.


El descubrim iento de la difracción de electrones en 1927, que v a ld r ía un prem io Nobel, tuvo su pu n to inicial en la investigación que estaba en conexión con la dem anda A rnold-L angm uir sobre las patentes. C lin ton j. Davisson, un estudiante de doctorado de Richardson, se había incorporado al departam ento de ingeniería de Western Electric en 1917. Dos años después Davisson y su asistente, Lester C erm er, comenzaron a trabajar sobre la em isión term oiónica de los cátodos de W ehnelt. A unque su trabajo no influyera en el resultado del proceso legal, com o A rnold y Davisson esperaban al principio, acabó desarrollándose de una m anera m uy satisfactoria y to talm ente inesperada. En su program a de investigación extendido, Davisson y G erm er em pezaron a estudiar las em isiones de electrones desde superficies metálicas bajo bom bardeo elec- trónico. En 1924 estos experim entos de dispersión electrón-electrón produ jeron patrones que Davisson in terpretaba com o u n efecto de la estructu ra cristalina del metal, pero no parecía que se obtuviera nada m ás de los experim entos. Eos físicos de Bell no en tendían los electrones com o ondas. Se tuvo que esperar a la prim avera de 1926, cuando Davisson pasó unas vacaciones en Inglaterra, y p o r casualidad supo de las id e ^ de Louis de Broglie de 924ل: que los electrones pod rían ser difractados m ediante cristales, ?o r aquel entonces, Davisson no conocía la nueva m ecánica cuántica, pero sus colegas europeos le contaron que la teoría de Schródinger podría ser la clave para entender sus experim entos. M ientras volvía a Nueva York, estudió la nueva m ecánica ondulatoria. En u n a carta a R ichardson, escribió, «Estoy trabajando todavía sobre Schró- dinger y otros y creo que estoy em pezando a tener una idea de lo que va todo. En particu lar creo que sé el tipo de experim ento que deberíam os realizar con nuestro aparato de esparcim iento para p robar la teoría» (Russo 1981, p. 145).

La nueva dirección del viejo program a de investigación p rodujo el fam oso exper؛- m entó de D avisson-G erm er, que p robó experim entalm ente la fórm ula de De Broglie de que a los electrones que se m ueven a velocidad V se les puede adscribir una longi- tu d de onda X = h/m v. Gom o era apropiado, el p rim er inform e com pleto del descubrí- m iento se publicó en la edición de abril de 1927 del Bell Laboratories Record. Diez años después, Davisson, ju n to con George R T hom son, recibió el prem io Nobel p o r el descubrim iento.

Físicos en la guerra de los químicos

Hasta el estallido de la Prim era G uerra M undial en 1914, la m ayoría de los científicos se consideraban m iem bros de una clase supranacional, una república del aprendizaje donde la nacionalidad era m enos im portan te que los logros científicos. C uando la ideología del supranacionalism o chocó con la realidad de la guerra, sin em bargo, quedó casi inm ediatam ente destru ida y fue rápidam ente reem plazada con u n chovinism o no m enos prim itivo que el jaleado p o r o tros grupos en las naciones europeas. Antes del final de 1914, había em pezado una guerra de propaganda den tro de la real, u n a guerra com batida sobre el papel p o r científicos y o tros académ icos. Los físicos no eran ya sim plem ente físicos, ahora eran físicos alem anes, físicos franceses, físicos austríacos o físi-


eos británicos. Un im portan te factor en la Krieg der Geister (la guerra de los sabios) fue un m anifiesto publicado en octubre de 1914 en el cual noventa y tres científicos, artistas y académ icos alem anes tra taban de justificar las acciones de su ejército, incluyendo su ataque sobre la neutral Bélgica y la destrucción de Lovaina. En el A u fru f o m anifiesto «Al m undo civilizado», los autoproclam ados «heraldos de la verdad» alem anes negaba que A lem ania hubiera causado la guerra y que los soldados actuaran sin la disciplina y honor que se esperarían del ejército de una nación civilizada. Se m antenía que todas esas acusaciones eran infam es m entiras. Para los científicos alem anes, m ilitarism o y cultura estaban inseparablem ente ligados: «Si no fuera po r el m ilitarism o alem án, la civilización alem ana habría sido extirpada hace tiem po [...] ¡Tengan fe en nosotros! C réannos, llevaremos esta guerra hasta el final com o una nación civilizada, para la cual el legado de u n G oethe, u n Beethoven y u n K ant es tan sagrado com o sus p rop ios corazones y hogares» (N icolai 1918, p. xii). E ntre los firm antes del m anifiesto estaban varios físicos y quím icos destacados, incluyendo a Planck, N ernst, O stw ald, Haber, Lenard y R óntgen. E instein, uno de los pocos físicos que se opon ía a la guerra y al clim a general de chovinism o, no firm ó. Por el con trario , firm ó u n contram anifiesto a favor de la paz y la cooperación que un fisiólogo, G eorg Nicolai, hab ía esbozado. Sin em bargo, el «L lam am iento a los europeos» no tuvo éxito: sólo firm aron cuatro personas.

El m anifiesto alem án provocó contundentes réplicas de científicos en Inglaterra y Francia. Por ejem plo, se suspendió su condición de m iem bros extranjeros a los científicos alem anes de la Academ ia de Ciencias de París que firm aron el m anifiesto. Poco después, los académ icos franceses atacaron a sus colegas del o tro lado del Rin y a todo lo que defendían, o lo que los franceses pensaban que defendían. A unque se adm itía que los alem anes eran buenos organizadores de la ciencia, según la propaganda francesa les faltaba originalidad y tendían a apropiarse ideas que se orig inaban en otros lu gares. En algunos casos, los científicos franceses sostenían que la ciencia alem ana era in trínsecam ente distin ta de, y po r su puesto inferior a, la ciencia de naciones civilizadas com o Francia. De acuerdo con el físico y quím ico Pierre D uhem , la Science alle- mande tenía su p ropio carácter y estaba m arcada po r las deplorables características m entales de la raza alem ana. Los físicos alem anes eran sim plem ente incapaces de p en sar in tu itivam ente y les faltaba el sentido com ún que era necesario para enlazar las teorías físicas abstractas con el m undo real. C om o típico ejem plo de teoría abstracta alem ana, D uhm m encionaba la teoría de la relatividad, con su absurdo postu lado de la velocidad de la luz com o lím ite superior de velocidad. O tro au to r francés, un biólogo, escogía la teoría cuántica com o un ejem plo de «delirio m atem ático-m etafísico» alem án. En un libro de 1916, escribía: «El princip io de la relatividad es el cim iento de una evolución científica que se puede com parar especialm ente con el fu turism o y el cubism o en las artes [...] encontram os u n b uen ejem plo de este delirio m atem ático-m etafísico en la teoría de los cuantos de M ax Planck, catedrático de física en Berlín y u n o de los 93 intelectuales del o tro lado del Rin. Planck [...] in troduce [...] átom os de calor, de luz, de energía m ecánica (!),d e hecho, de energía en general; com o resultado de la teo


ría de la relatividad estos átom os poseen incluso una masa dotada de inercia (!!)» (Klei- nert 1978, p. 520). Es irónico que las teorías que los científicos franceses patrióticos consideraban en 1916 típicas de la m ente alem ana fueran exactam ente las m ism as que los científicos alem anes nazis, veinte años después, considerarían los principales ejem plos de una m ente judía, no alem ana. La reacción contra la ciencia alem ana era algo más m oderada en G ran Bretaña, pero no existía un entendim iento y no se llevaron a cabo in tentos de reconciliación. En un artículo en Nature en octubre de 1914, William Ramsay, prem io Nobel de Q uím ica, escribió que «los ideales alem anes están infinitam ente alejados de la concepción del verdadero hom bre científico». Aunque Ramsay reconocía la brillantez de científicos alemanes individuales, globalm ente la ciencia m undial podría prescindir fácilm ente de los alemanes: «Los mayores avances en el pensam iento científico no han sido realizados p o r m iem bros de la raza alem ana», escribió. «Por lo que se puede ver, de m om ento , la restricción de los teutones aliviará al m undo de un alud de m ediocridad».

C uando se declaró la guerra, m uchos científicos en los países beligerantes ofrecieron sugerencias a los m ilitares acerca de cóm o podrían em plear sus calificaciones al servicio de la nación. Las autoridades políticas y m ilitares eran reacias a aceptar las ofertas y en m uchos casos op taron po r ignorarlas. Los oficiales m ilitares eran trad icionalm ente escépticos acerca de la utilidad de la investigación científica, especialm ente si la investigación era llevada a cabo po r científicos civiles. En Alem ania y en el Im perio austrohúngaro, los científicos más jóvenes se consideraban soldados ordinarios, que servían en los cam pos de batalla com o cualquier o tro grupo de reclutas. En la p rim era fase de la guerra, no existían planes de em plear físicos u otros científicos en proyectos de guerra o aprovechar sus conocim ientos de o tra m anera; esto sólo vino después, y aunque el reconocim iento de la im portancia de la ciencia se increm entó duran te la guerra, perm aneció a u n nivel lim itado. El m ayor y m ejor conocido de los proyectos alem anes de guerra, el proyecto de guerra de gases quím icos bajo la dirección de Fritz H aber, em pleaba a varios físicos. D uran te periodos de tiem po cortos o largos, James Franck, O tto H ahn, Erwin M adelung y Gustav H ertz trabajaron en el proyecto. H ahn experim entó con gases venenosos en el institu to Kaiser W ilhem en Berlín y desarrolló nuevos gases en la Industria Q uím ica Bayer en Leverkusen. O tra institución m ilitar donde los físicos encon traron em pleo fue la C om isión de Pruebas de Artillería (Arti- llerie-Prüfungs-K om m ision, o APK) en Berlín; allí se investigaron distintos m étodos de m edir distancias: ópticos, acústicos, sism om étricos y electrom agnéticos. M ax Born pasó parte de la guerra trabajando en APK, y tam bién Alfred Landé, Fritz Reiche, Fer- d inand Kurlbaum y R udolf Ladenburg. La idea de utilizar m edidas sonoras com o m étodo de determ inar la posición de la artillería enem iga provino de Ladenburg quien, com o capitán de caballería, logró persuadir a los m ilitares para que organizaran un g rupo de científicos que trabajaran con el problem a. Entre o tras cosas, Born estudió la influencia del cam bio del viento con la altitud en la propagación del sonido m ediante m étodos de dinám ica ham iltoniana. «Soy de la op in ión de que fúe un b uen trabajo de m atem ática aplicada», recordó Born (B orn 1978, p. 171).


O tros físicos alem anes aún trabajaban con problem as de telecom unicaciones, un cam po que al principio era despreciado p o r el ejército alem án. M ax W ien, el catedrático de física en la Universidad de Jena, organizó una un idad de físicos e ingenieros para trabajar en el uso de la com unicación sin cable en aviones. Som m erfeld investigó duran te u n tiem po sobre la posibilidad de escuchar com unicaciones telefónicas enemigas detectando débiles «corrientes de tierra» que se propagarían p o r el suelo. Instrum en tos de escucha am plificados po r válvulas basados en la investigación de Som m erfeld eran capaces de detectar señales a m ás de un kilóm etro de una línea y p robaron ser de considerable valor para el ejército alem án. (La física técnica no era un cam po extraño para el teórico Som m erfeld, que había publicado an terio rm ente sobre problem as electrotécnicos y ia teoría h idrodinám ica de la lubricación.)

En Inglaterra, la m ovilización de la ciencia y la tecnología com enzó en el verano de 1915 con el C om m ittee o f the Privy Council for Scientific and Industrial Research que, al año siguiente, pasó a ser el D epartm ent for Scientific and Industrial Research (DSIR). El objetivo del DSIR era prom over, financiar y coord inar la investigación científica y técnica de significación industrial y militar. A unque estaba enfocada a la producción de m ateriales útiles, com o productos quím icos y v idrio óptico, el DSIR reconocía que el objetivo requería inversiones en ciencia pura. C om o Nature apun tó en 1916, «el abandono de la ciencia pu ra podría com pararse con el arado y estercolado de u n te rreno, seguidos de la om isión de arar y sem brar». El Laboratorio N acional Físico, que desde 1902 había operado bajo la supervisión de la Royal Society, fue transferido al nuevo departam ento en 1918. Al estallar la guerra, el laboratorio tenía 187 em pleados. D urante los cuatro años siguientes, se dio alta p rio ridad al trabajo con fines m ilitares y, a finales de 1918, el núm ero de personas que trabajaban en el laboratorio se había increm entado a unos 550. El DSIR fue el más im portan te de los prim eros organism os británicos de política científica, y sería el soporte esencial para la física y las dem ás ciencias duran te las siguientes tres o cuatro décadas. C om o sus contrapartes alem anes, los físicos británicos se ocupaban de com probar y de desarrollar m étodos de m edidas de distancia. W illiam H. Bragg y otros físicos investigaron m étodos sonoros para localizar arm am ento alem án tras las líneas de trincheras. En el D epartam ento de Invenciones de M uniciones, Ralph Fowler y el joven Edward M ilne trabajaron con in stru m entos ópticos diseñados para guiar el fuego antiaéreo.

U n problem a si cabe de m ayor im portancia para los británicos era la am enaza de los subm arinos alem anes. El trabajo en esta área tuvo lugar en el D epartam ento de In venciones e Investigación (BIR) de la M arina Real, que se creó en el verano de 1915. R utherford era uno de los físicos que se ocupaban de desarrollar m étodos de detección de los tem idos subm arinos. Hizo que parte de su laboratorio de M anchester se convirtiese en u n gran tanque de agua, donde desarrolló num erosos experim entos. De acuerdo con el biógrafo de Rutherford, sus inform es sistem áticos al alm irantazgo no sólo m arcan el nacim iento de la ciencia m ilitar subm arina, sino que, «lo que R utherford dijo sobre caza de subm arinos en 1915 sigue siendo cierto en los años ochenta» (W ilson 1983, p. 348). R utherford aconsejó que la detección acústica era la única m anera


práctica de )©calizar subm arinos, y él y ©tr©s físicos trabajaron duram ente para desarro llar eficaces «hidrófonos» y o tros aparatos de escucha. Su trabajo tam bién incluía investigación sobre la utilización de cuarzo piezoeléctrico para la p roducción de sonido de alta frecuencia para la detección de subm arinos. Esta linea de investigación, que fue reproducida de m anera independiente p o r Paul Langevin en Francia, se transfor- m ó m ás tarde en la tecnología del sónar. A veces se considera que la invención del só- nar se rem onta al trabajo duran te la guerra de Langevin y Rutherford.

C om o en el caso de Inglaterra, la guerra indujo a que el gobierno estadounidense com enzara un plan científico. En jun io de 1916 se estableció u n Consejo de Investiga- ción N acional (NRC) con el p ropósito de organizar y prom over la investigación para la «seguridad y el bienestar nacionales». C om o en Inglaterra, se dio alta p rio ridad a la detección de subm arinos y se escogió a M illikan com o presidente del com ité del NRC contra subm arinos. El trabajo de los estadounidenses en esta área estuvo, hasta cierto punto , coordinado con el trabajo considerablem ente m ás avanzado de sus aliados en Francia e Inglaterra. En jun io de 1917 una m isión franco-británica, que incluía a Ru- therford , visitó a sus colegas de Estados Unidos. M ientras que la investigación estadounidense tan to en detección subm arina com o en artillería era inferior a la de sus aliados, en el cam po de las com unicaciones era superior. C uando se declaró la guerra en abril de 1917, el ejército de Estados U nidos com isionó a John C arty de AT&T y a un núm ero selecto de o tros científicos e ingenieros com o oficiales en los C uerpos de Se- ñales. C arty organizó una D ivisión de Ciencia e Investigación, encabezada p o r Milli- gan, que incluía científicos e ingenieros de universidades y em presas privadas. En unos pocos meses, AT&T proporcionó 4.500 ingenieros y operadores organizados en 14 ba- tallones, trip licando por tan to al personal de los cuerpos de señales. La eficacia de los sistemas de com unicaciones del ejército de Estados U nidos, tan to por cable com o ina- lám bricos, dependía de los desarrollos en tecnología de válvulas de vacío realizados por ©liver Buckley, el físico de AT&T que estaba encargado del laboratorio de los cuerpos de señales en Parí؟

En com paración con la Segunda G uerra M undial -« la guerra de los físicos»- los fí- sicos tuvieron u n papel relativam ente secundario en la P rim era G uerra M undial, que se denom ina con justicia «la guerra de los químicos». Sus contribuciones no fueron de n ingún m odo de im portancia decisiva y el tipo de física que se utilizó en el esfoerzo bélico tenía poca conexión con la investigación de vanguardia en las ciencias físicas. Por o tro lado, era la p rim era vez en la h isto ri؟ que los físicos se hacian visibles y útiles en u n conflicto m ilitar im portan te . C uando term inó la guerra, estaba claro que la físi- ca podía ser de im portancia considerable para los m ilitares y que el apoyo del gobíer- no era necesario para que la física se pud iera aplicar con propósitos de seguridad. Aun- que la «física militar» se estableció por lo tanto en 1918, nadie podría haberse im aginado el papel crucial que los físicos desem peñarían en la guerra poco más de dos décadas después, y aun m enos podrían haberse im aginado la m ilitarización de la física que se- ría un aspecto tan p ronunciado en el m undo de la física dom inado po r Estados Uni- dos en los años cincuenta (véase capítulo 20).

Segunda parte:de la revolución a la consolidación

CAPÍTULO 1 0

Ciencia y política en la República de Weimar

Alemania fue ]a prineipal nación científica del m undo duran te la p rim era parte del siglo XX y en m uchos aspectos servía com o m odelo para otros países. Fue en Alemania donde m uchas de las grandes innovaciones en física y las otras ciencias exactas tuvieron su origen. El año 1918 m arcó un hito en la historia alem ana y m undial: debido a su derro ta en la guerra y al hum illante Tratado de Versalles apareció el m alestar social en el país, falta de alim entos, asesinatos políticos, una drástica caída en la econom ía del país y una hiperinflación que duró hasta 1923, cuando una barra de pan de centeno costaba m edio billón de m arcos. A lem ania sufría un severo estado de crisis, económ ica, políti- ca y espiritualm ente. Sin em bargo, en contra de cualquier expectativa, a la física alemana le fue notablem ente bien duran te estos años difíciles y consiguió m antener su elevada posición internacional. En algunas de las nuevas y excitantes áreas, com o teoría atóm ica y cuántica, los físicos alem anes m arcaron la agenda internacional. Las semillas de la m ecánica cuántica se sem braron duran te los prim eros años de la república de Wei- mar, a pesar de todas sus dificultades y de las miserables condiciones de vida.

Política científica y ap©y© financiero

ط com unidad científica alem ana perm aneció intacta tras la guerra, pero era una com unidad pobre y en desesperada búsqueda de dinero. N o sólo era Alem ania una na- ción relativam ente pobre duran te la posguerra, sino que sus científicos frieron tam bién excluidos de colaboraciones internacionales. La falta de m oneda extranjera se añadía a los problem as de los alemanes, porque hacía casi im posible la com pra de literatura e instrum ental extranjeros. Las universidades presenciaron u n drástico increm ento en el núm ero de estudiantes, m uchos de ellos antiguos com batientes, para los cuales no te- nían espacio, profesores ni dinero. Los presupuestos de los institu tos estaban m uy p o r detrás de sus niveles de antes de la guerra y tam bién los salarios del personal científi- co; debido a la inflación, los ahorros podían perder su valor de un día para otro. O tto


H ahn recordaba cóm o M ax von Laue y él se tom aron unas vacaciones de una sem ana en el sur de Alem ania en 1923: «Al final de aquel corto viaje, M ax von Laue se percató que le faltaban un m illón de m arcos para pagar el billete de vuelta. ¥٠ pude prestarle el dinero. En años posteriores, cuando el dinero había vuelto a tener su valor norm al en A lem ania, le solía recordar de vez en cuando que todavía me debía un m illón. Al final me pasó u n billete de cincuenta m il m illones, diciendo que ahí estaba, jun to con los intereses, sim ple y com puesto» (H ahn 1970, p. 137).

Los principales científicos alem anes se daban cuenta de que necesitaban legitim ar sus ciencias de una nueva m anera, tan to para satisfacerse com o para atraer m ás con- vincentem ente a potenciales patrocinadores del gobierno. Alem ania había perdido la guerra, el káiser había huido, los buenos tiem pos eran cosa del pasado. ¿Qué era lo que quedaba para poder apo rtar a la nación nuevo h onor y dignidad? De acuerdo con m u- chos científicos (com o es de esperar), la respuesta era la ciencia. En un com unicado a la Academ ia ? rusiana de las Ciencias en noviem bre de 1918, M ax Pianck lo dejó claro: «Si el enem igo ha sustraído de nuestra patria toda defensa y potencia, si nos han so- brevenido serias crisis in ternas y quizá nos esperan crisis todavía m ás serias, existe algo que n ingún enem igo in terno o extranjero ha podido sustraer aún: la posición que la ciencia alem ana ocupa en el m undo. Además, es la m isión de nuestra academ ia p o r encim a de todo, com o la institución científica del estado m ás distinguida, m antener esa posición y, si fuera necesario, defenderla con todos los m edios disponibles» (Form an 1973, p. 163). Era u n tem a que se oía a m enudo en la joven República de Weimar. Flanck, que por aquel entonces surgía com o u n portavoz oficioso de la ciencia alemana, repetía el m ensaje en u n artículo de prensa de 1919: «M ientras que la ciencia ale- m ana pueda con tinuar com o antiguam ente, es im pensable que A lem ania pueda apar- tarse del grupo de las naciones civilizadas» (H eilbron 1986, p. 88). La ciencia debería fom entarse, decía Planck, p rincipalm ente no porque condujera al progreso tecnológí- co y económ ico (aunque esto tam bién era u n m otivo), sino porque era el principal bien cultural alem án. La ciencia debía verse com o un po rtad o r de cultura, un Kul- turtrager en alem án. Era algo de lo que el país debía estar orgulloso, que podía servir com o sustitu to para el poder político y m ilitar que, p o r desgracia, ya no existía. La ciencia se veía com o un m edio para la restauración de la d ignidad nacional y los ظ - m osos científicos alem anes se convirtieron en instrum entos de las políticas culturales nacional e internacional, a la par de los poetas, com positores y artistas del país.

R ecurrir a los valores culturales y políticos de ط ciencia no era ظ sólo retórica de unos pocos científicos buscando financiación. Sorprendentem ente, en vista de la tradicional legitim ación utilitaria dé la ciencia, estaba en consonancia con el pun to de vista de m uchos políticos y académ icos de hum anidades, que favorecían una actitud an- tiu tilitarista y antim aterialista ante ط ciencia. La posesión más preciosa en la lucha por el reconocim iento cultural internacional era quizás Einstein, que, com o alem án (en cierto sentido), podía ser utilizado con propósitos propagandísiticos siem pre que se quedara en Alemania. Planck, entre otros, tem ía que Einstein dejara A lem ania, lo cual hubiera significado una pérdida no sólo para la ciencia alem ana, sino tam bién para la

Ciencia y política en la República de Weimar 137

،}*؛ t؛ ica cultural alem ana. £1 asunto se deííneb con claridad en u n inform e del 2 de septiem bre de 1920 del consejero alem án de la Em bajada en Londres al m in istro de Exte- riores en Berlín. Tras m encionar rum ores en los periódicos británicos de que Einstein podría abandonar A lem ania e irse a Am érica, el encargado de negocios apun tó , «especialm ente en estos m om entos, el profesor £ instein cuenta com o u n factor cultural de prim era m agn itud para A lem ania, ya que su nom bre es am pliam ente conocido. N o de- heríam os provocar que u n hom bre así se vaya de Alem ania, le podríam os usar para una efectiva propaganda de Kultur. Si el profesor Einstein realm ente estuviera in ten tando abandonar A lem ania, yo vería deseable en interés de la reputación alem ana en el extranjero que se pudiera convencer al fam oso sabio de que se quedara en Alemania». £ste inform e era sólo uno de m uchos. C ada vez que Einstein viajaba al extranjero a im - partir clases, u n foncionario de la em bajada o del consulado alem án enviaba inform es secretos a Berlín. Los inform es, de ?arís, C openhague, Tokio, M adrid, ©slo, Chicago y otros lugares, prestaban especial atención a cóm o la prensa extranjera conectaba al fa- m oso físico con Alemania. U n diplom ático alem án en M ontevideo inform aba con sa- tisfacción el 4 de ju lio de 1925 que ya que Einstein «ha sido celebrado todo el rato com o u n “sabio alem án” (su ciudadanía suiza, que tam bién posee, apenas se m encionaba), su visita ha sido extrem adam ente valiosa para la causa alem ana» (Kirsten y Tre- d e r l9 7 9 , p p . 207 y 234).

En la A lem ania w ilhelm iana, la ciencia académ ica recibía financiación p rinci- pálm ente de los estados alem anes (a los cuales pertenec ían las un iversidades) pero no del gob ierno federal de Berlín. En las precarias cond iciones existentes después de 1918, las o rganizaciones científicas alem anas ten ían que en co n tra r nuevas fuentes de financiación p ara ev itar la qu iebra. La m ás im p o rtan te de las nuevas agencias centrales cien tífico-políticas era la N otgem einschaft der deu tschen W issenschaft, fondada en 1920. Esta o rganización represen taba varias instituc iones científicas ale- m anas, incluyendo a la K aiser-W ilhelm Gesellschaft, las un iversidades y escuelas técnicas, las academ ias de ciencias, y la Sociedad de C ientíficos y M édicos A lem a- nes. La p rin c ip a l activ idad de la N otgem einschaft era la de recaudar y p ro p o rc io n ar d inero p ara la investigación de to d o tipo: en las ciencias natu rales, en ingeniería, en ciencias sociales y en hum an idades. La N otgem einschaft financiaba a científicos individuales y a proyectos de investigación a p a r tir de sus m érito s y las becas se p ro - p o r c io n a b a n indep en d ien tem en te de la un iversidad del destina tario . Las solicitudes eran juzgadas p o r u n a com isión de expertos, sin in terferencia del gob ierno central. De 1922 a 1934, M ax von Laue era el d irec to r del com ité de física, u n puesto influ- vente en la po lítica científica alem ana. C on diferencia, la m ayor p a rte de los recursos de la N otgem einschaft p roven ían del gob ierno de Berlín, pero existían tam bién sustanciosos donativos del ex tran jero , incluyendo im p o rtan tes con tribuc iones de la G eneral Electric y de la F u n d a c ió n Rockefeller en Estados U nidos. Sólo u n a parte m enor provenía de la in d u stria alem ana, que prefería canalizar su apoyo a la com - pe tido ra sociedad H elm holtz o a proyectos científicos individuales de natu ra leza más técnica.


La Notgem einschaft estaba controlada por científicos de Berlín y, en lo tocante a la fi- sica, favorecía el tipo de física teórica pura que Planck consideraba culturalm ente (y por tanto, a su entender, políticam ente) im portante. C om o m iem bro del com ité ejecutivo de ط Notgemeinschaft, Planck hizo posible que los teóricos atóm icos en Gotinga y Múnicfa recibieran fondos suficientes. En general, sin embargo, una gran parte de las becas de in- vestigación se concedieron a físicos de Beriín. Por ejemplo, durante 1924-1926, los físi- eos de Berlín recibieron a p r o b a d a m e n te la m itad de las becas, un hecho que enfurec؛'- a m uchos físicos conservadores de fuera de la capital, que acusaron a la Notgemeinschaft de favoritismo con respecto a Berlín. A lo largo de los años veinte, Johannes Stark y otro؛ físicos conservadores in tentaron ganar influencia en la Notgemeinschaft, pero fueron resueltam ente repelidos po r Laue y Planck. A pesar de ظ predilección de la Notgemeins- chaft por la física teórica m oderna, había suficiente dinero y ra g n a n im id a d para financiar tam bién a antirrelativistas com o Stark, Lenard y Rudolf Tomaschek.

El com ité de Electrofísica, u n subcom íté de la N otgem einschaft basado en las donaciones de la General Electric, fue esencial para la física atóm ica alem ana. De 140 solicitudes de beca que recibió entre 1923 y 1923, aprobó 71, la m ayoría de ellas en físí- ca atóm ica y cuántica. El dinero era donado ostensiblem ente para ayudar a la física técnica y experim ental, pero los m iem bros del com ité (que incluían a Planck com o director) a m enudo querían utilizarlo para teoría atóm ica. «Claro que el dinero está de- signado com o “en especial para investigación experim ental”», escribió Planck a Som- m erfeld en 1923, «pero tu proyecto puede presentarse com o la elaboración de una ' experim ental. Lo principal po r supuesto es tu nom bre» (H eílbrom 1986,p. 92). En física, com o en otros cam pos, es bueno tener un nom bre y tener amigos. La m ecánica cuántica habría llegado sin duda, con o sin apoyo de la Notgem einschaft. Pero H eisenberg y Born estuvieron financiados con dinero de la Notgem einschaft, y es com presible que el com ité de Electrofísica se congratu lara en 926ا cuando la mecání- ca cuántica dem ostró su valor (en todos los sentidos). El dinero y la filosofía de la Not- gem einschaft habían sido rentables con creces: «Como es bien sabido, la mecánica cuántica ocupa el centro de la atención entre los círculos de física de todas las nació- nes. El trabajo de Heisenberg y Born, que el com ité de Electrofísica ha financiado y sin el cual el trabajo es probable que no se hubiera realizado en Alem ania sino en o tra parte, ha m ostrado la u tilidad del com ité de Electrofísica en el desarrollo de la física en Alemania» (Cassidy 1992, p. 160).

D urante 1921-1925, la N otgem einschaft financió proyectos en ciencias físicas con becas anuales de unos 100.000 m arcos de oro, que era una sum a m uy sustancial; ade- más, patrocinó un pequeño núm ero de becas de investigación. La im portancia de la or- ganización para la física alem ana se refleja en las publicaciones de investigación. Se ha estim ado que al m enos una cuarta parte de las 8.000 publicaciones aparecidas en las tres principales revistas de física alem anas entre 1923 y 1938 se basaban en investiga- ción financiada total o parcialm ente po r la Notgem einschaft. En u n tono m enos esta- dístico, considérese el caso de W erner Heisenberg, un prom etedor estudiante de física de vein tiún años en 1923. H eisenberg era la clase de físico que la N otgem einschaft que


ría m antener en el cam po y recibió financiación de la ©rganización en Í923-Í925, aunque no la suficiente para vivir de ella. Su profesor en Gotinga, M ax Born, p roporcionó ayuda adicional. Gom o m uchos otros profesores, Born tenía am igos entre los índu$- tríales alem anes y filántropos extranjeros, alguno de los cuales ayudaban con la finan- ciación de su instituto. Born recibió generosas contribuciones de un financiero .de Nueva York, H enry G oldm an, y utilizó el dinero para ayudar a sus estudiantes y asís- tentes, entre ellos Heisenberg. Hay m uchas m aneras de sobrevivir du ran te los años di- fíciles, algunas más regulares que otras.

El ?lty¿kalisch-Technische Reíchsanstalt fue una de las organizaciones centrales de física que sobrevivieron a la guerra, pero no recuperó su an terior gloria y posición com o uno de los principales institu tos m undiales de física pura, Por el contrario , cuando el Reichsanstalt se o rien tó todavía m ás hacia las pruebas y la física técnica, se dete- rioró científicam ente, Poco después de que Fríedrích Paschen se convirtiera en dírec- to r del Reichsanstalt en Í924, se quejaba a Som m erfeld de que «el trabajo propiam ente científico se ha acabado aquí». C ontinuaba, «el institu to se ha vuelto m ás y más técni- co. La investigación puram ente científica está en retirada. La m ism a actitud de los funcionarios científicos es m uy técnica. En la m ayoría de ellos, la física m oderna no ha dejado huella» (Kragh 1985, p. ١١٨١ -

Rela€¡©ne$ ¡nterna€¡©nales

En un congreso de m edicina en Copenhague en 1884, Louis ?asteur confirm ó la neutralidad e internacionalidad de la ciencia. «La ciencia no tiene país de origen», dijo, pero con tinuó después, «incluso si la ciencia no tiene n ingún país de origen, el cíentí- fico debería ocuparse en particu lar con lo que proporciona h o n o r a su país. En cada gran científico siem pre encontrareis a un gran patrio ta» (Kragh 1980a, p. 293). La problem ática am bivalencia entre patrio tism o e in ternacionalism o científico fue totalm ente evidente duran te y después de la P rim era G uerra M undial, cuando resultó que el patrio tism o era el m ás fuerte de los dos ideales (véase tam bién el capítulo 9). En una carta a George Hale en 1917, el físico e inventor estadounidense M ichael P up in escribió, «la ciencia es la m ás alta expresión de una civilización. La ciencia aliada es, p o r lo tanto, radicalm ente distin ta de la ciencia teutónica [...] vem os hoy m ás claram ente que nu n - ca, que ظ ciencia no puede ser disociada de los d istim os estados de ánim o y senti- m iem os del hom bre [...] Creo que los hom bres científicos son p rim ero hom bres y des- pués científicos» (Porm an 1973, p. 158).

D urante la ú ltim a fase de la guerra, científicos franceses, británicos y estadounidenses discutieron la estructura de una nueva organización científica internacional que reem plazaría a la Academ ia In ternacional de las Ciencias. Las principales figuras en estas negociaciones eran el astrónom o norteam ericano George Hale, el físico brítá- nico (nacido en A lem ania) A rthur Schuster y el m atem ático francés Charles Emile PÍ- card. El resultado fue la form ación, en verano de 1919, del In ternational Research Council (IRC), cuyos m iem bros al princip io podían proceder tan sólo de las potencias


aliadas y las naciones asociadas con ellas o que se habian opuesto a los alem anes. Los países m iem bros eran: Francia, Inglaterra, Estados U nidos, Bélgica, Italia, Australia, C anadá, Nueva Zelanda, Sudáfrica, Japón, Brasil, Grecia, Polonia, Portugal, R um ania y Serbia; u n a selección sin duda política y no basada en el m érito científico. La m em - bresía de las uniones científicas bajo el IRC, com o la planeada In ternational U nion of Puré and A pplied Physics (IUPAP) tam bién debía ser de estos países. La IUPAP se for- m ó en 1922, con representantes de trece naciones y W illiam H. Bragg com o prim er presidente. Le siguió M illikan y, duran te los difíciles años de la guerra, M anne Sieg- bahn, de Suecia. La IUPAP no fue m uy activa hasta 1931, cuando se reorganizó en CO-

nexión con el cam bio del IRC al ICSU, In ternational Council o f Scientífic Unions (Consejo In ternacional de U niones Científicas). Por aquel entonces, la IUPAP era una de las ocho organizaciones científicas bajo el consejo, las otras eran de astronom ia, geodesia y geofísica, quím ica, m atem áticas, ciencia de radio, biología y geografía.

D ebido al odio y a la sospecha suscitada p o r la terrib le guerra, A lem ania, Austria, H ungria y Bulgaria quedaron apartadas del IRC, e incluso los países neutrales quedaron fuera. El núcleo duro tem ía que los países neutrales pudieran alterar el equilibrio de poder en el IRC y votar a favor de la adm isión de las antiguas potencias centrales. Sólo se adm itieron algunos países neutrales en 1922, entre ellos H olanda y los países escandinavos. Las sospechas francesas parecieron justificadas, ya que fueron estos p؛ú- ses los que p rim ero abogaron p o r la aceptación de Jas potencias centrales. En 1925 Lo- rentz sugirió, en nom bre de las delegaciones holandesa, noruega y danesa, que se anu- lara ط política de exclusión. A unque la resolución recibió apoyo de G ran Bretaña y los Estados U nidos, y tam bién recibió diez votos de dieciséis en la Asamblea General, no consiguió la m ayoría necesaria de dos tercios de todas las naciones. (Por aquel entonces, eJ IRC incluía veintinueve naciones, de las cuales sólo dieciséis estaban presentes, así que ni siquiera u n voto unánim e hubiese cam biado los estatutos.) El viento cam- bió al año siguiente, después de que el Tratado de Locarno asegurara una atm ósfera política m ás benigna en Europa. Entonces, los científicos principales del IRC, incluyendo a Schuster, Hale y Picard (que era el presidente), aceptaron la adm isión alemana y se enviaron invitaciones a Alem ania y a los países an teriorm ente enem igos. Sin em bargo, cuando la invitación p o r fin llegó, fue rechazada por los científicos alem anes y austriacos. El resultado fue que los dos países quedaron fuera del cuerpo oficial de ciencia in ternacional hasta después de la Segunda G uerra M undial. H ungría ingresó en el IRC en 1927 y Bulgaria en 1934.

La exclusión de A lem ania del IRC fue sólo una de las m aneras con las que los ganadores de la guerra in ten taban aislar y d ism inuir la im portancia de la ciencia alemana. Desde 1919 hasta aproxim adam ente 1928, la ciencia alem ana sufrió u n boicot internacional, en el sentido de que no se perm itió a los científicos alem anes asistir a m uchas conferencias internacionales. D uran te los prim eros años, el boicot fue bastante efectivo, con la exclusión de los alem anes de la m ayor parte de las conferencias internacionales; de 275 conferencias científicas internacionales entre 1919 y 1925,165 no tuvieron participación alem ana (véase figura 10.1). M uchos institu tos, oficinas e instí-


Gráfico 10.1. Núm،'ro de congresos آآ؛؛،̂€؛آ0ة internacionales (línea discontinua) y núm ero de aqué- líos de los cuales Alemania له ،.‘ excluida (línea de puntos). La línea continua muestra el porcentaje de congresos que excluyeron la participación alemana. Fuente: Red؛bu¡؛ido a partir de Schróder-Gudehus 1966.

tuciones internacionales abandonaron el te rrito rio alem án. En 1914, había 60 organizaciones de este tipo, de las cuales 14 estaban en Alem ania y 18 en Francia; en 1923, el núm ero se había increm entado a 85, ahora con 37 en Francia y sólo 6 en Alem ania. Es- tas organizaciones internacionales creían que no sólo debía ser boicoteada la ciencia alem ana, sino tam bién el id iom a y las publicaciones científicas en alem án. En la m a- yoría de las conferencias internacionales, no se aceptaba el alem án com o id iom a oficial. Después de todo, com o se expresaba en Science en 1920, «el alem án es, sin duda, un lenguaje bárbaro que acaba de surgir de la etapa del prim itivo carácter gótico y [...ا sería provechoso para la ciencia tra tarlo de esta m anera a p artir de la fecha del 1 de agosto de 1914».

C om o se pretendía, el boicot sí causó alguna inconveniencia a la ciencia alem ana, aunque el daño fuera m ás psicológico que m aterial, ?robablem ente hizo m ás daño a las naciones que boicoteaban, que tuv ieron que apañárselas sin alem anes en conferencias dedicadas a tem as en los cuales los científicos alem anes eran los expertos indíscu- tibies. Los congresos de Solvay de 1921 y 1923, sobre «átom os y electrones» y «conductividad eléctrica de metales», respectivam ente, no incluyeron a físicos alem anes, lo cual claram ente devaluó el valor de estos encuentros. El boicot nunca fúe com pleto, ya que no lo apoyaron ni los Países Bajos ni E sc^d ín av ía . En 1919 la Academ ia Sueca de


Ciencias decidió o torgar el prem io Nobel de Física a Planck y Stark, y اع prem io en Q uím ica a Fritz Fíaber. Se consideró en general ofensivo que los prem ios recayeran en tres científicos alemanes; el prem io a Fíaber fue especialm ente controvertido por su participación en la industria bélica alem ana de gases. Desde la perspectiva de Francia, los suecos habían hecho una elección política en un esfuerzo de rehabilitar la ciencia alem ana. Fíaber, que com partía el pun to de vista de Planck y m uchos otros científicos alem anes sobre la ciencia com o M acht-Ersatz, parece haber estado de acuerdo. Planck consideraba el prem io «un trib u to a los logros de la ciencia alem ana p o r parte de colegas profesionales en Suecia», com o escribió a la Academ ia Sueca de Ciencias (W id- m alm 1995, p. 351).

Einstein era uno de los pocos científicos alem anes que era bienvenido en las conferencias internacionales. No sólo era el científico más fam oso del m undo, sino tam bién u n pacifista y dem ócrata, y no se le consideraba un «verdadero» alem án. (Por aquel entonces, Einstein ostentaba doble ciudadanía, suiza y alem ana.) Pero incluso un judío pacifista suizo-alem án podía resultar dem asiado controvertido a principios de los años veinte. C uando Einstein accedió a una invitación de Paul Langevin para hablar en Pa- rís en la prim avera de 1922, fue conducido a la capital francesa en secreto para evitar m anifestaciones. Además, tuvo que cancelar u n sem inario ante la m uy digna Academia de las Ciencias porque tre in ta m iem bros tenían p laneado abandonar el auditorio tan p ron to com o en trara Einstein. Para ellos, era lo bastante alem án para no ser grato.

Eos in tentos de utilizar a Einstein políticam ente contra sus colegas alem anes no tuvieron m ás éxito que los in tentos alem anes de utilizarlo para sus propios fines políti- COS. Por ejemplo, los organizadores del congreso de Solvay de 1923 querían que F.instein participara, pero Einstein rehusó cuando se dio cuenta de que otros científicos alem anes no estaban invitados. C om o escribió a Lorentz, «[Sommerfeld] es de la opi- n ión de que no está b ien que yo participe en el congreso de Solvay porque mis colegas alem anes están excluidos. En m i op in ión no está bien in troducir la política en asuntos científicos, y los individuos no deberían considerarse responsables p o r el gobierno del país al cual da la casualidad que pertenecen. Si tom ara parte en el congreso, m e con- vertiría p o r im plicación en cóm plice de una acción que de m anera m uy fuerte considero inquietan tem ente injusta» (M ehra 1975, p. xxiii). En u n artículo titu lado «Todo sobre la relatividad» de la m ism a época, la popu lar revista inglesa »»٧؛ ’، / Fair escribía, superficialm ente: «Y, en todo caso, Einstein es u n alem án, y todo este asunto es sin duda u n plan alem án para re tom ar el contro l del com ercio de tin te de anilinas [...] C ontesta a una pregunta con otra. Pero aquí es cuando en tra lo alem án del asunto. Lás- tim a que su descubrim iento no se deba a un representante de uno de los am istosos aliados (pregunta para una lectura colateral: nom bre cinco aliados que sean amistosos en estos m om entos).» (Hentschel 1990, p. 125). El com entario de Vanity Fair era iróni- co, pero la ironía apuntaba a u n problem a real en el contexto político de la ciencia de esa época.

© tro caso ilustra el m ism o concepto de d istin to m odo. En enero de 1923, el hú n - garó Georfe Hevesy y el holandés D irk Coster anunciaron que habían descubierto el

Ciencia مر política en la República de Weimar 143

elem ento núm ero 72 m ientras trabajaban en el institu to de Niel؛؛ Bohr en C openhague. £1 anuncio del descubrim iento del hafnio (H f), com o llam aron al elem ento, cau- só una im portan te controversia sobre prioridades con los científicos franceses, que aducían que ya habían descubierto el elem ento, al que llam aron celtio (C t). £l hecho de que la controversia em pezara a princip ios de 1923, u n m om ento en el que las reía- ciones francoalem anas estaban al borde de la ru p tu ra com o resultado de la ocupación francobelga de la región del Ruhr, le o torgó un sabor distintivo. £1 descubrim iento del hafnio, y especialm ente el consiguiente descrédito infligido a la ciencia francesa, se consideró entre los científicos aliados m ilitantes una conspiración contra la gloire francesa, un siniestro in ten to de p roporc ionar a A lem ania una venganza intelectual de su derro ta m ilitar. C uando Hevesy, siguiendo el consejo de R utherford, envió un artículo sobre el hafnio a la revista Chemical News, profrancesa y proceltío, su editor, w . R Wyn- ne, respondió: «Nos adherim os a la palabra original, celtio, asignada a él po r Urbain com o representante de la gran nación francesa, que fue leal a nosotros duran te la totalidad de la guerra. No aceptam os el nom bre otorgado po r los daneses, que se lim itaron a em bolsarse los despojos tras la guerra» (Kragh 1980a, p. 294). A unque n ingún cien- tífico alem án había contribu ido al descubrim iento del hafnio, fue asociado de todos m odos con la «ciencia teutónica». Hevesy era húngaro, po r tan to un an terior enem igo, y Coster era un holandés que había pasado la m ayor parte de su carrera científica en Suecia y D inam arca, países a los que se acusaba de ser proalem anes. A unque el estatus de Niels B ohr en el m undo académ ico im pedía cualquier crítica directa a sus activRia- des, a m uchos partidarios radicales de la linea de boicot les pareció dem asiado b lando con los alem anes. D urante la guerra, y tam bién después, Bohr había m an ten ido reía- ciones norm ales y am istosas con sus colegas alem anes, y duran te el cénit del boicot, fireron frecuentes las visitas entre C openhague y Alemania. Bohr dio clases en Alema- nia, partic ipó en conferencias no autorizadas, y iue el anfitrión de m uchos físicos alemanes; siem pre fue cuidadoso en reconocer los resultados de sus colegas alemanes; y publicó m uchos de sus m ás im portan tes artículos en revistas alem anas, ignorando así los esfirerzos de aislar al alem án com o un lenguaje indigno para la com unicación cien- tífica. Todo esto hacía que Bohr y la física de Copenhague parecieran proalem anes en algunos círculos e increm entó el vago sentim iento de teutonísm o que rodeaba al hafnio. £1 asunto era delicado para el C om ité In ternacional de £lem entos Q uím icos, una ram a del IRC sin representantes de países neutrales. £l celtio carecía de credibilidad científica, pero po r razones políticas el com ité encontró im posible sancionar al hafnio. Sólo se aceptó oficialm ente en 1930.

Alem ania no fue el único país donde la ciencia sufría por culpa de la guerra. Las condiciones m ateriales eran incluso peores en la joven U nión Soviética, que quedó aislada de o tros países de m anera m ucho más efectiva que Alemania. £1 sufrim iento y la m uerte p o r m alnutrición , tifus y la guerra civil no distinguía entre científicos y no científicos. Las condiciones de penalidad física du ran te los terribles años entre 1918 y 1922 hacían m uy difícil que los físicos continuaran sus actividades investigadoras y construyeran m arcos institucionales. La Asociación Rusa de Físicos se fundó en واوا ,


principalm ente gracias a los esfuerzos de © rest Khvol’son yA bram Ioffe, pero la orga- nización resultó inadecuada para la tarea de norm alización de la física. D urante u n periodo, la falta de papel im pedía o retrasaba m ucho las publicaciones científicas. Por ejem plo, el p rim er libro de texto ruso sobre relatividad general, com pletado en 1922 p o r A lexander F riedm ann y Vsevelod Frederiks, apareció por prim era vez en 1924 por la escasez de papel. La revista de física soviética m ás im portan te (.ZhRFK hO ) apareció de m anera in term iten te entre 1918 y 1923, sin aparecer en 1920 ni en 1921. Los intentos de los físicos rusos de reconstru ir su disciplina y rom per su aislam iento de los paí- ses occidentales consiguió sólo un éxito parcial a p a rtir de 1922, aproxim adam ente. Ese año, la U nión Soviética estableció relaciones diplom áticas con Alem ania y, com o resultado, los contactos entre físicos alem anes y rusos se increm entaron. Ioffe, fundador del Institu to Físico-Técnico de Leningrado, fue a Berlín a encargar los libros científi- eos, las suscripciones a revistas y los instrum entos que tan to se necesitaban. El y otros físicos alem anes ftreron recibidos con gran sim patía por sus colegas alem anes, que estaban deseosos de establecer conexiones profesionales entre los países parias, a pesar de sus diferencias políticas. En 1922 la Sociedad A lem ana de Física eligió al físico de Leningrado Khvol’son com o su único m iem bro honorario . A partir de 1925 aproxi- m adam ente, los contactos con el ©este se increm entaron aun m ás y m uchos físicos so- viéticos visitaron A lem ania y otros países occidentales, incluyendo Estados Unidos. Los físicos soviéticos estaban deseosos de publicar en revistas occidentales y escogieron a la alem ana Zeitschriftfür Physik com o su revista favorita. A finales de los años veinte, más del 12 p o r 100 de los artículos en Zeitschrift estaban escritos por rusos, que contribuyeron un total de 592 artículos entre 1920 y 1936. U n torció de los artículos estaban fir- m ados por físicos del Institu to Físico-Técnico de Leningrado, el institu to de física más im portan te de ظ U nión Soviética.

comunidad de (a física دا

C om o se ha indicado previam ente, a principios de los años veinte la com unidad fí- sica alem ana estaba dividida en cuestiones de ciencia, política e ideología. El am plio g rupo de derechas incluía a fascistas com o Stark y Lenard, adem ás de físicos m enos

com o W ilhelm w؛en y © tto Lummer. Los físicos de derechas com partían básicam ente las m ism as ideas políticas, incluyendo el chovinism o, el u ltrô n se rv ad u - rism o, y oposición a la república de W eimar. El antisem itism o tam bién era com ún a la m ayoría de ellos. En 1922, cuando Paschen propuso a Afíred Landé com o profesor asociado en Tubinga, un bastión conservador, Paschen n o tó que sus colegas tenían pre- juicios negativos no sólo porque Landé fuera un teórico atóm ico «progresista», sino tam bién porque era judío. (Estos incidentes, y el antisem itism o en general, no eran ex- elusivos de Alemania; ظ d iscrim inación contra los judíos era com ún tam bién en universidades de Estados U nidos y otros países.) M ientras que existía una facción dere- chista identificable en la física alem ana, no existía una izquierdista con sim patías socialistas. C uando m ostraban algún interés en política, Paschen, Planck, Laue, Som-


m erfeld y la m ayor parte de los otros físicos progresistas establecidos, m an ten ían posturas conservadoras y antigubernam entales. Einstein y Born fueron excepciones a la regla. El conservadurism o burgués de la física o rd inaria alem ana sólo parecía liberal si se com paraba con las extrem as posiciones de los derechistas. La generación joven de físicos que no habían servido en la guerra, incluyendo a Eleisenberg, Jordán y Pauli, era sobre todo apolítica.

Los puntos de vista científicos de los físicos derechistas eran considerablem ente paralelos a sus ideas políticas, am bos conservadores. Se m antuvieron leales a las posturas de la ciencia w ilhelm iana y opuestos al Zeitgeist del periodo de Weimar. La m ayor parte de los físicos derechistas se m antuvieron dentro de la cosmovisión del mecanicism o clásico y el electrodinam icism o, incluyendo nociones tales com o el éter, el determ inism o, la causalidad y la objetividad, que pasaron de m oda a principios de los veinte. Sin em bargo no estaban en com pleta falta de sintonía con el Zeitgeist de Weimar. Su predilección por la claridad de visualización (Anschaulichkeit) y la cam paña po r sustituir la perspicaz com prensión física en lugar del razonam iento m atem ático abstracto tenían el m ism o valor para conservadores y «progresistas» que adaptaron sus puntos de vista al Zeitgeist. Las posturas de los derechistas se m anifestaban en una disociación más o m enos directa con respecto a las teorías cuánticas y de la relatividad y una preocupación por los experimentos a expensas de la teoría. No todos los experimentales eran conservadores, y no todo los teóricos eran «progresistas», pero existía una clara conexión en todo caso.

Hasta cierto punto , la división entre «progresistas» y «reaccionarios» reflejaba la tensión entre los poderosos físicos de Berlín y los institu tos de física en las universidades provinciales. Sin em bargo, la división no era m arcada, com o queda ilustrado po r las im portan tes escuelas teóricas en M únich y Gotinga. Era un estereotipo que no se ajustaba en absoluto a la m ecánica cuántica, que tenía su origen fuera de Berlín (en Gotinga), y donde la m ayoría de los físicos de Berlín estaba a favor de la versión conservadora de Schródinger antes que de la versión radical de Heisenberg. A pesar de esto, con o sin justicia, para m uchos físicos «Berlín» llegó a significar teoría abstracta, intelectualism o judío, arrogancia y m al gusto. La Sociedad Alem ana de Física estaba dom inada p o r físicos de Berlín y, p o r esta razón, se consideraba sospechosa en ciertos entornos. Einstein había sido presidente en 1916-1918 y fue sucedido por Som m erfeld después de que M ax W ien, un experim ental de la Universidad de Jena, declinara el cargo. En 1920 Stark organizó una organización rival, la Asociación de Profesores de Física Académica A lem ana (Fachgem einschaft D eutscher H ochschullehrer der Physik), pero la im portancia de la nueva asociación era lim itada; con el físico W ihelm W ien, de M únich, com o presidente de la Sociedad de Física, las acusaciones de «Berlinerei» eran m enos convincentes.

O tra cuestión que dividía a los físicos alem anes involucraba la aplicación de la física a las necesidades técnicas industriales. Estas aplicaciones eran ajenas al an tiu tilita rism o del Zeitgeist de W eim ar y, de hecho, la m ayoría de los físicos convencionales respetaba poco la física técnica. Por o tro lado, m uchos físicos de derechas estaban deseosos de aplicar su ciencia a propósitos técnicos. U n alto porcentaje de físicos ale


m anes se había ocupado de físíca industrial o m ilitar duran te la guerra y sentía que su trabajo no recibía suficiente respeto en la Sociedad de Física. C uando se fundó en 191 وla Sociedad Alem ana para la Física Técnica, fue en parte com o reacción contra lo que se percibía com o un p redom inio de la teoría en la Sociedad A lem ana de Física, dom i- nada po r Berlín. A lo largo de u n año, el núm ero de m iem bros de la nueva sociedad as- cendió a 500, y entre 1925 y 1935 podía presum ir de tener tan tos m iem bros com o la Sociedad de Física, unos 1.300 (véase figura ١٠.2). Gehrcke, el antirrelativista, era uno de los firndadores de la Sociedad para la Física Técnica y publicaba frecuentem ente en su revista, el Z eitschriftfür technische Physik.

Fntre las prestigiosas revistas para publicaciones académ icas, los físicos de derechas preferían los Annalen der Physik. Si no podían publicar en los Annalen, preferían publicar en revistas m enos prestigiosas, o incluso oscuras, que en el Zeitschriftfür Physik, la o tra revista im portan te de física en Alemania. £1 Zeitschrift, fundado en 1920 por la Sociedad de Física y asociados con pun tos de vista liberales y vanguardistas, era la revista favorita de la joven generación de físicos cuánticos pero sufría prácticam ente un boicot por parte de los «reaccionarios», para los cuales significaba la decadencia y el dogm atism o de la física m oderna. No resultó ser n inguna coincidencia que los artícu- los de Schródinger sobre m ecánica ondulatoria aparecieran en los Annalen y no en los

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


Zeitschrift. C uando se lanzó Zeitschrift en 1920, se planeaba que estuviera lim itada a tres volúm enes anuales con un m áxim o de 1.440 páginas, ?ero su éxito hizo que se ex- pandiera po r encim a de las expectativas más optim istas. En 1924 incluyó diez volú- m enes con un to tal de 4.015 páginas, y en 1929 sus siete gruesos volúm enes incluían 6.094 páginas. El lenguaje de la revista era el alem án y su éxito fue un gran argum en- to a favor de la im portancia del alem án com o lenguaje internacional de la física. En 1925, resultaba evidente que los esfirerzos franceses y británicos de lim itar el alem án com o lenguaje científico habían fracasado. C uando u n artículo en inglés, escrito por el físico indio R. N. G hosh apareció en Zeitschrift en 1925, causó vehem entes protestas de m uchos físicos alem anes. El editor de la revista, el capaz Karl Scheel, se vio forzado a prom eter que todos los artículos debían estar escritos en alem án. Para Lenaed, que de- testaba todo lo británico, la prom esa llegó dem asiado tarde. A bandonó la sociedad com o protesta y desplegó un cartel en su institu to de física en Heidelberg con el m ensaje: «Se prohíbe la en trada a los m iem bros de ط que se hace llam ar Sociedad Alema- na de Písica» (Beyerchen 1977, p. 98).

Zeitgeist y la cosmovisión física

D urante el decenio posterior a 1918, la física en Alem ania se enfrentó no sólo a dificultades económ icas, sino tam bién a un m edio intelectual distinto, que en m uchos aspectos era hostil a los valores tradicionales de la física. A la física, y a la ciencia en general, se la acusaba cada vez más de ser desalm ada, m ccanícista y contraria a los valores hum anos. Estas acusaciones no eran nuevas, ni en Alem ania ni en otros lugares, pero em pezaron a ser más frecuentes y a form ularse con m ás au to ridad en la Repúbli- ca de Weimar. Las actitudes no científicas, o anticientíficas, eran populares en filosofía, psicología y sociología, y florecieron la astrología, la cabalística y otras variedades del m isticismo. En 1927 Som m erfeld escribió: «La creencia en u n orden m undial racional se ha visto sacudida po r la m anera en la que la guerra term inó y en que la paz fue dic- tada; en consecuencia, uno busca la salvación en un orden m undial irracional [...] po r lo tan to nos vemos evidentem ente confrontados de nuevo con una ola de irracional¡- dad y rom anticism o com o la que recorrió Europa hace cien años com o una reacción contra el racionalism o del siglo XVIII y su tendencia a hacer la solución del enigm a del universo quizá dem asiado fácil» (Form an 971 ؛ , p. 13). M uchos físicos sentían que el Zeitgeist de la época era básicam ente antagónico a su ciencia y que lo que contaba para el público educado eran ideas extrañas a la m ente científica. Los autores y filósofos en- fatizaban la Lebenphilosophie y la Weltanschauung más que los resultados cicntíficos, los cuales identificaban con un m aterialism o trasnochado y una creencia injustificada en la causalidad y el conocim iento objetivo. El holism o, la intu ición, el relativism o y el

’ estaban a la orden del día, no así el análisis m atem ático, los experi-m entos controlados y las explicaciones causales.

El p rogram a new age se presentó de m anera más influyente en el som brío pero enorm em ente popular libro de Oswald Spengler ٠٤٢ Untergang des Abendlandes (La


decadencia de Occidente) que, de 1918 a 1926, fue im preso en unos 100.000 ejem plares. De acuerdo al am plio análisis de Spengler de los altibajos de las civilizaciones, la ciencia m oderna estaba en un estado de p rofunda crisis, pero sólo porque no había conseguido adaptarse a la nueva cultura. Rechazando nociones anticuadas com o causalidad y objetividad, Spengler sostenía que la ciencia era an tropom orfa y sim plem ente una expresión de una cu ltu ra particu lar en un m om ento particular; la física era relativa a la cu ltura y la historia, y no existía física separada de, o independiente de, los en to rnos culturales locales; puede que el lector detecte una asociación con pun tos de vista que fueron populares en las últim as décadas del siglo. Spengler, cuyo conocim iento de física contem poránea no era m uy satisfactorio (pero pocos de sus lectores se habrían dado cuenta), creía que había llegado el m om ento para una nueva física que unificara pensam iento y espíritu. Sin em bargo, la nueva física no podía construirse sobre la vieja; haría falta una civilización to talm ente nueva: «La vasta y cada vez m ás gastada y carente de sentido tela tejida p o r la ciencia natu ral se desm orona. No era, después de todo, nada más que la estructura in terna de la m ente [...] pero hoy, en el ocaso de la época científica, en la etapa del escepticism o victorioso, las nubes se disuelven y el plácido paisaje de la m añana reaparece con toda su nitidez [...] agotada tras su lu cha, la ciencia occidental vuelve a su hogar espiritual» (Form an 1971, p. 37). La filosofía de Spengler era quizá confúsa y mal argum entada, pero era representativa del Zeit- geisty fue m uy influyente en las discusiones culturales de la época. Prácticam ente todos los alem anes educados, incluyendo los físicos, la conocían.

D ado que este clim a antirracionalista y antipositivista dom inó una gran parte de la cu ltu ra de W eimar, y dado que cuestionaba la legitim idad m ism a de la ciencia trad icional, era natu ral que los físicos se sin tieran forzados a responder a las nuevas ideas. Y esto es lo que hicieron, generalm ente no defendiendo los valores tradicionales de la ciencia sino, en m uchos casos, cediendo ante el nuevo Zeitgeist. Un resultado de la adaptación, com o se ha m encionado, fue que m uchos físicos se abstuvieron de justificar su ciencia p o r su u tilidad y en lugar de esto enfatizaron que la física es esencialm ente cultura. Algunos físicos teóricos «capitularon» ante los nuevos pun tos de vista de Spengler en el sentido de que asim ilaron sus valores inconscientem ente a lo que ellos percibían com o el nuevo Zeitgeist. Por ejem plo, a princip ios de los años veinte varios físicos alem anes p lantearon la cuestión de la crisis en la física y sostuvieron que el p rin cipio de causalidad no podía ya considerarse una base de las teorías físicas. Este repudio de la causalidad no estaba basado en desarrollos experim entales o teóricos específicos de la física.

La m ecánica cuántica que apareció en 1925 era u n a teoría alem ana que rom pió con la causalidad microfísica. Es p o r tan to natural p reguntar si existía una conexión causal entre las ideas generales sobre acausalidad antes de 1925 y la form ación e in terp re tación de la m ecánica cuántica. El h istoriador Paul Form an ha argum entado que los físicos alem anes, debido a la influencia del Zeitgeist de W eimar, estaban predispuestos a una m ecánica cuántica acausal y estaban deseando una crisis en la teoría atóm ica semi- m ecánica existente. Según Form an, la p rop ia posibilidad de la crisis de la antigua teo


ría cuántica dependía del m edio intelectual de W eimar. Sin em bargo, existen buenas razones para rechazar la sugerencia de u n a fuerte conexión entre las circunstancias so- cioideológicas de la joven República de W eim ar y la in troducción de una m ecánica cuántica acausal. Es suficiente m encionar unas pocas razones:

1. M ientras que los físicos discutían a m enudo la cuestión sobre la (a)causalidad y otros problem as relacionados del Zeitgeist en sem inarios y artículos dirigidos a audiencias generales, estos tem as casi nunca se m encionaban en artículos científicos o conferencias ante u n público científico.

2. H asta donde los físicos se adap taron al Zeitgeist, la adaptación se refería a los valores de la ciencia, no a su contenido.

3. M uchos de los físicos tenían buenas razones científicas para rechazar la causalidad detallada y no hizo falta que se «convirtieran». En cualquier caso, sólo una p roporción m uy pequeña de los físicos alem anes parece haber rechazado la causalidad antes de 1925-1926.

4. Som m erfeld, Einstein, Born, Planck y o tros físicos destacados no cedieron ante el Zeitgeist, sino que lo criticaron explícitam ente.

5. El reconocim iento de algún tipo de crisis en física atóm ica era generalizado alrededor de 1924, sobre todo debido a ciertas anom alías que la teoría atóm ica existente no podía explicar. Bohr y algunos otros físicos sugirieron vagam ente que habría que abandonar la conservación de la energía y la descripción espacio-tem poral (véase el capítulo 11).

6. La prim era teoría acausal en física atóm ica, la teoría de la radiación de Bohr- K ram er-Slater de 1924, no tuvo una recepción uniform em ente positiva entre los físicos alem anes, al con trario de lo que uno esperaría de acuerdo con la tesis del Zeitgeist. Y los que sí aceptaron la teoría estaban m ás im presionados p o r sus prom esas científicas que p o r su corrección ideológica. El elem ento de acausalidad de la teoría no se consideraba su característica m ás interesante. Además, la teoría tenía su origen en C openhague, con u n clim a cultural m uy diferente del de la Alem ania de W eimar, y fue propuesta p o r un danés, u n holandés y un estadounidense.

7. Entre los pioneros de la m ecánica cuántica acausal estaban Bohr, Pauli y Dirac, n inguno de los cuales estaba influido p o r el Zeitgeist de W eimar. Los jóvenes físicos alem anes que crearon la m ecánica cuántica estaban m ás interesados en sus carreras científicas que en tendencias culturales, e in ten taban deliberadam ente aislarse de lo que sucedía en la sociedad.

En conclusión, existían buenas razones - ta n to in ternas com o ex ternas- para que la mecánica cuántica se orig inara en Alemania. En lo que yo puedo juzgar, la adaptación al Zeitgeist de W eim ar no fúe de particu lar im portancia.

CAPÍTULO 11

Saltos cuánticos

An©mal؛as cuánticas

C om o Bohr bien sabía, la teoría cuántica d e lo s átom os de 1913 fue m eram ente ei ini- ció de u n p rogram a de investigación que le llevaría a él y a sus colegas a un territorio desconocido; de n ingún m odo se consideraba una teoría term inada. D urante los años de la guerra, la teoría se extendió y m odificó, principalm ente po r Bohr y un grupo de físicos alem anes, pero tam bién - a pesar de las divisiones causadas p o r la g u e rra - por colegas británicos, holandeses y japoneses. La m ás im portan te de las prim eras generalizaciones fue el resultado de un trabajo de Som m erfeid en M únich, quien rápida- m ente se estableció com o u n a au to ridad en teoría atóm ica y logró un estatus superado sólo p o r el de Bohr. El m agistral y com prehensivo libro de texto de Som m erfel¿ sobre teoría atóm ica, Atom bau und spektrallinien, basado en cursos im partidos en la Universidad de M únich en 1916-1917, se publicó por prim era vez en 1919. D urante los siguientes años, se publicaron siete nuevas ediciones y se convirtió en la «Biblia» de la teoría atóm ica para la generación de físicos de posguerra. En 1923 la tercera edición alem ana se tradu jo al inglés com o Atom ic Structure and spectral ق«'؛كج .

Som m erfeld, educado en m atem áticas puras y experto en aplicar m odelos mate- máticos avanzados a problem as físicos, desarrolló la sencilla teoría de Bohr basándola en u n uso extensivo de integrales de acción. De acuerdo a Som m erfeld, la descripción dinám ica de sistemas atóm icos con varios grados de libertad se basaba en condiciones cuánticas del tipo / n =ومحما h , siendo las q y las p coordenadas generalizadas de pos؛- ción y m om ento , respectivam ente, y los n núm eros cuánticos integrales. El á tom o de Som m erfeld de 1916 estaba caracterizado p o r sólo dos núm eros cuánticos, el principal n y el azim utal k, y p ro n to se extendió con un núm ero cuántico «magnético» m. U til؛- zando esta técnica, Som m erfeld fue capaz de reproducir la fórm ula de Bohr para los niveles de energía del á tom o de hidrógeno y de extenderla al caso relativista de estructu ra fina, u n gran éxito de la antigua teoría cuántica. El form alism o de M únich tam

Saltos cuánticos 151

bién incluía el uso de los m étodos de variables de ac^ó n -¿n g u؛o conocidos en mecá- nica celeste pero, hasta entonces, raras veces utilizados en física. M ediante estos m éto- dos, en 1916 el físico ruso Paul Epste؛n (que vivía en M únich, donde se le in ternó com o extranjero enem igo) y el astrónom o Karl Schwarzschild proporc ionaron cálculos deta- liados independientes del efecto Stark de acuerdo con los experim entos. La separación de las líneas espectrales en cam pos eléctricos intensos, descubierta p o r Johannes Stark en 1913, desafiaba una explicación clásica pero sus rasgos generales se podían entender sobre la base de la teoría de Bohr. Los prim eros trabajos sobre el efecto Stark, ؛٨ - cluyendo una teoría que Bohr propuso en 1914, resultaron en un acuerdo solam ente cualitativo. Lpstein concluía en 1916 que sus nuevos resultados «probaban lo correcto del m odelo atóm ico de Bohr con tal sorprendente evidencia que hasta nuestros colé- gas conservadores no pueden negar su pertinencia» (Jam m er 1966, p. 108). En el m is- m o año, Som m erfeld y Peter Debye, de m anera independiente tam bién, explicaron el desdoblam iento Zeem an sencillo en trípletes.

La herram ien ta favorita de Bohr en teoría atóm ica no eran las integrales de acción com o las de Som m erfeld, sino el princip io de correspondencia, que utilizó vagam ente en 1913 y perfeccionó en una im portan te m em oria en 1918. Este ^ in c ip io se convir- tió en la p iedra de toque de la p rim era escuela de teoría cuántica de B ohr y una im - po rtan te guía conceptual para la construcción de ط nueva m ecánica cuántica. La esen- cía del principio de correspondencia, según Bohr lo entendía sobre 1920, era la siguiente: en el lím ite de núm ero cuánticos grandes (n —» n - m, m « n), las transí- ciones a estados estacionarios no m uy distintos del inicial resultarían en frecuencias casi idénticas de las que se esperarían clásicam ente, es decir, a partir de la electrodiná- m ica maxwelliana. Esto sim plem ente se seguía de la teoría cuántica del átom o de Bohr y no era el contenido del principio de correspondencia en su sentido más amplio.

Bohr se dio cuenta de que la teoría cuántica original era incom pleta en el sentido de que, aunque prescribía frecuencias, no tenía nada que decir acerca de intensidades y polarización. Esta era una seria deficiencia, ya que para com parar un espectro derivado teóricam ente con uno obtenido experim entalm ente, las intensidades deben ser conocidas. Bohr extendió, po r tan to , el princip io para cubrir tam bién u n a correspondencia con las intensidades clásicas, en concreto, requiriendo u n a correspondencia entre los cuadrados de los coeficientes de Fourier del m om ento dipolar (la m edida clási- ca de la intensidad) y los coeficientes de probabilidad de transición in troducidos po r Einstein en su teoría de la radiación de 1916-1917. En 1918 B ohr escribió, «podem os esperar que tam bién para pequehos valores de n la am plitud de las vibraciones arm ó- nicas correspondientes a un valor dado de T [siendo n —í n - t ] proporcionaran de alguna m anera una m edida para la probabilidad de una transición em rc dos estados para los que n - ti” es igual a T » (D arrigol 1992, p. 126).

C om o im portan te consecuencia del principio de correspondencia, si una com ponente arm ónica particu lar es cero, la probabilidad de transición será tam bién cero; es decir, la transición estará «prohibida». De esta m anera, Bohr y sus asistentes aplicaron el principio de correspondencia para estim ar intensidades de líneas espectrales y para


deducir regla$ de selección. Por ejemplo, m ientras que el físico polaco Adalbert Rubí- nowicz, u n asistente de Som m erfeld, había deducido la regla de selección A k = o, ± 1 para el núm ero cuántico azim utal, Bohr razonó a p a rtir de su princip io de correspondencia que las transiciones A k = o no pod ían ocurrir. La evidencia espectroscópica m ostró que el resultado de Bohr era el correcto. Una de las prim eras y más im presionantes aplicaciones del princip io de correspondencia íúe debida a H endrick A. Kra- m ers, un joven holandés que estudiaba bajo la dirección de Bohr en C openhague. En su tesis doctoral de 919ل, Kram ers calculó en detalle las intensidades y polarizaciones de las líneas espectrales del hidrógeno, incluyendo los efectos Zeem an y Stark. Sus resultados estaban en buen acuerdo, aunque no perfecto, con los datos experim entales.

El principio de correspondencia era fundam entalm ente un invento de Bohr y fue recibido con bastante escepticism o en A lem ania, donde los princip ios cuánticos más form ales y los procedim ientos deductivos de Som m erfeld se consideraban más pro- m etedores. Para Som m erfeld, el principio de correspondencia tenía dem asiado carác- te r de «varita mágica», com o lo denom inó en la prim era edición de su Atom bau. En K ,ل935 ram er recordaba cóm o m uchos físicos percibían en uso sem iintuitivo del principio: «En un inicio, el princip io de correspondencia les parecía a los físicos una varita mágica algo m ística, que no funcionaba fuera de Copenhague» (Kragh 1979, p. 156). La m agia de Bohr era particu larm ente fuerte, y particu larm ente confusa, en su uso del principio de correspondencia en su «segunda teoría atóm ica» de 192 ا-ا92ق , en la cual in ten tó explicar la estructu ra atóm ica de todos los elem entos de la tabla periódica. To- m ando eclécticam ente de una mezcla de espectroscopia de rayos X, datos quím icos, argum entos de correspondencia y vagos principios de sim etría, Bohr construyó m odelos atóm icos de dos núm eros (n, k) desde el hidrógeno hasta el uranio. Hasta llegó a derivar la م electrónica para el hipotético elem ento de núm ero atóm ico 118,prediciendo que pertenecería a la categoría de los gases inertes. Al contrario de su imagen de 1913, los electrones se m ovían ahora en elipses keplerianas y du ran te sus órbi- tas penetraban la región de electrones in ternos, causando con ello u n acoplam iento de los electrones en revolución. Bohr proporcionó una exposición global de su teoría duran te u n encuentro en G otinga en 1922. Su estilo y m anera de pensar -q u izá más que la teoría m ism a- im presionó profundam ente a los participantes, entre los que se encontraba la m ayor parte de la elite de física atóm ica alem ana. Varios de los jóvenes fí- sicos se fueron de su p rim er encuentro con el m aestro de la b ru jería atóm ica convencidos del gran valor del princip io de correspondencia.

A unque la teoría del sistem a periódico de Bohr fuera p ron to superada por teorías m ejores, p o r p rim era vez proporcionó una explicación razonablem ente satisfactoria de la estructura atóm ica de todos los elem entos quím icos. En particular, Bohr argum en- tó que los elem entos de la clase de las tierras raras se caracterizaban po r una acum ula- ción gradual en el nivel n = 4, desde 3 x 6 electrones en el lantano hasta 4 x 8 electrones en el lutecio, con la im plicación de que el elem ento desconocido de núm ero atóm ico 72 estaría relacionado quím icam ente con el circonio y no sería u n a tie rra rara. La predicción de Bohr se verificó a finales de 1922, cuando el elem ento 72 (el hafnio)


se descubrió en m inerales de circonio. A unque la predicción no se deducía de la teoría de Bohr sin am bigüedades, el descubrim iento se consideró con generalidad una b r؛~ liante confirm ación de esta teoría en particu lar y de la teoría cuántica de los átom os en general. C om o se m encionó en el capítulo 10, el descubrim iento condujo a u n proion- gado conflicto de prioridades.

Para cada éxito de la teoría de Bohr-Som m erfeld, existía un fracaso o una anom a- lía. El á tom o de h idrógeno (y otros sistemas atóm icos de u n electrón) quedaba ،١٢؛ - llantem ente explicado por la teoría, pero hasta el segundo á tom o m ás sencillo, el helio, resultó ser un problem a. Entre 1918 y 1922, Bohr y Kram ers en C openhague, Edwin Kemble y John van Vleck en H arvard, Alfred Landé en F rankfurt am M ain y James P ran ck y Fritz Reiche en Berlín investigaron el espectro del helio con las herram ientas disponibles de la teoría cuántica. U tilizaron distintos m étodos y estrategias, pero el resultado global fue un iform em ente decepcionante: aunque las predicciones de la teoría cuántica no eran to talm ente distintas de lo m edido, las discrepancias eran lo suficientem ente patentes com o para que la m ayoría de los expertos estuviera de acuerdo con la conclusión de Van Vleck en 1922, «alguna m odificación radical de la teoría cuántica

' de la estructura atóm ica parece necesaria» (Kragh 1979, p. 132). Esto quedó incluso más claro en 1923, cuando Born y H eisenberg presen taron u n análisis detallado y sistem ático del átom o de helio y concluyeron que el espectro obtenido diferia del observado. Esto era, com o Born escribía a Bohr, una «catástrofe» (f)arrigol 1992, p. 177). El efecto Zeem an anóm alo en los átom os con m uchos electrones no era m e- nos catastrófico. D urante 1920-1924, m uchos físicos atacaron el problem a, incluyendo a Landé, quien pudo proporc ionar u n a explicación fenom enológica de la observada se- paración de las líneas espectrales. Sin em bargo, ni Som m erfeld, Pauli, Heisenberg ni otros físicos que se ocuparon del p roblem a podían justificar sus resultados en térm i- nos de la teoría cuántica. «Es una gran desgracia lo de la teoría del efecto Zeem an anóm alo», escribió Pauli a Som m erfeld el 19 de ju lio de 1923. A ñadió que la desgracia involucraba a «todos los átom os que contengan más de un electrón» (M ehra y Re- chenberg 1922, pp. 1, 502).

De hecho, la desgracia no estaba lim itada a los átom os con m ás de un electrón. Has- ta sistemas con un solo electrón daban problem as, aunque esto se adm itía con más re- ticencias po r parte de los físicos que querían creer que la teoría de los átom os de hi- drógeno estaba en perfecta form a. En 1921-1923 el ión de la m olécula de h idrógeno H ^ ) fue investigado p o r Pauli e, independientem ente, p o r Karl F. Níessen en los Paí-

ses Bajos. La energía de ionización calculada no concordaba con los experim entos que se realizaron poco después, © tra anom alía fne el descubrim iento de © tto © ldenberg en 1922, en la Universidad de M únich, de que las líneas del h idrógeno exhibían un efecto Zeem an anóm alo en bajos cam pos m agnéticos (al contrario del efecto Zeem an norm al en cam pos más elevados). De acuerdo a la teoría de B ohr-Som m erfeld, este efecto, denom inado de Paschen-Back (por Friedrích Paschen y F.rnst Back, quienes lo ’ en 1912) no debería o cu rrir en el hidrógeno. En 1924 se llegó a la con-

clusión de que la teoría cuántica no podía describir el caso de u n electrón m oviéndo


se en cam pos cruzados magnético$ y eléctricos. Además, el enlace covalente entre, por ejemplo, dos átom os de h idrógeno, se ،seguía sin expiicar; en general, la teoría cuántí- ca de los físicos tenía poco que ofrecer a los quím icos. A finales de 1924, Robert Mulli- ken concluía a p a rtir de su estudio de los espectros m oleculares que el estado más bajo del oscilador arm ónico no era cero, sino que estaba dado p o r 1/2 hv. La existencia de una energía del p u n to cero estaba de acuerdo con la m alograda teoría de Planck de 191 f, pero no con los desarrollos posteriores. £1 problem a era que de acuerdo con la teoría de Bohr-Som m erfeld, no debería haber una energía del p u n to cero, al contrario del d sc u b rim ie n to de M ulliken. Finalm ente, entre 1921 y 1924 se estableció experi- m entalm ente que los electrones lentos penetran librem ente u n gas de argón a pesar de los firertes cam pos de fuerzas interatóm icas. Este efecto, denom inado de lâmsauer, descubierto (entre otros) por el físico de Heidelberg Cari Ramsauer, se reconoció com o un fenóm eno cuántico de algún tipo, pero no se pudo explicar. Existían po r tan to m u- chos experim entos relevantes y hechos que la teoría de E ohr-Som m erfeld era incapaz de explicar y, en este sentido, eran anom alías. Sin em bargo, ظ m ayoría de ellos no se consideraban problem as m uy serios y resultaron ser de im portancia lim itada en el proceso que creó la crisis cuántica en 1924, aproxim adam ente, ?o r ejem plo, la mayoría de los fisicos ignoraron o m inim izaron la incapacidad de explicación de la teoría para dar cuenta de las valencias, e incluso la anom alía del ión de la m olécula de hidrógeno no se consideraba un problem a principal de la m ism a naturaleza que el átom o de helio y el efecto Zeem an anóm alo.

En 1924, la acum ulación de anom alías experim entales, ju n to con u n a falta de satis- facción generalizada con la estructura lógica y conceptual de la teoría cuántica existente, llegaron a crear una situación de crisis en la pequeña com unidad de físicos atómicos. Varios físicos concluyeron que ظ teoría de Bohr-Som m erfeld era irrem ediablem ente errónea y debía reem plazarse con alguna o tra teoría. Por otro lado, dados sus m uchos éxitos, la «vieja» teoría atóm ica difícilm ente podía estar com pletam ente equivocada )' se esperaba generalm ente que estuviera relacionada con la nueva teoría cuántica me- diante algún tipo de princip io de correspondencia. M ax Born creía en 1923 que «todo el sistem a de conceptos de la física debe reconstruir.se desde abajo hasta arriba» (For- m an 1968, p. 159). Fue tam bién Born el que acuñó el té rm ino «m ecánica cuántica» en un artículo de 1924, en el que se ocupaba de la problem ática traducción de las fórm u- las clásicas a sus análogos en la teoría cuántica m ediante el principio de correspondencia. Se reconocía lo inadecuado de la teoría de Bohr-Som m erfeld y se señalaba un nom bre -m ecán ica cuán tica- para su sucesora. Por desgracia, n inguno sabía el aspee- to que tendría esta fu tu ra m ecánica cuántica.

La p rim era teoría cuántica se cultivaba en tres centros de investigación en particular. En M únich, Som m erfeld estableció su im portan te escuela con científicos com o Epstein, Rubinowicz, C regor Wentzel y W ilhelm Lenz entre sus colaboradores. Born se em pezó a interesar en teoría atóm ica relativam ente tarde, sólo en 1921 tras haber lie- gado a ser catedrático en C otinga; con asistentes com o Pauli, Friedrich H und y Pascual lo rdan , hizo de G otinga u n centro m undial de la teoría cuántica. Existían estrechas co-


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

Nombre Años Edad País

H. C asim ir 1929,1930 20 Países Bajos

C. D arw in 1927 40 G ran Bretaña

D. D ennison 1924-1926, 1927 24 EEUU

P. D irac 1926-1927 24 G ran Bretaña

R. Fowler 1925 36 G ran B retaña

J. Franck 1921 39 A lem ania

E. Fues 1927 34 A lem ania

G. G am ow 1928-1929,1930 24 URSS

S. G oudsm it 1926, 1927 24 Países Bajos

D. H artree 1928 31 G ran Bretaña

W. H eisenberg 1924-1925,1926-1927 22 A lem ania

W. H eitler 1926 22 A lem ania

G. Hevesy 1920-1926 35 H ungría

E. Hückel 1929 33 A lem ania

F. H und 1926-1927 30 A lem ania

P. Jordan 1927 25 A lem ania

O. Klein 1918-1922,1926-1931 24 Suecia

H. K ram ers 1916-1926 22 Países Bajos

L. L andau 1930 22 URSS

A. Landé 1920 32 A lem ania

N. M ott 1928 23 G ran Bretaña

Y. N ishina 1923-1928 33 Japón

W. Pauli 1922-1923 22 A ustria

L. Pauling 1927 26 EEUU

S. Rosseland 1920-1924, 1926-1927 26 N oruega

A. R ubinow icz 1920,1922 31 Polonia

J. Slater 1923-1924 23 EEUU

L. T hom as 1925-1926 22 G ran B retaña

G. U hlenbeck 1927 30 Países Bajos

H. Urey 1923-1924 30 EEUU

I. W aller 1925-1926,1927,1928 27 Suecia

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


nexiones entre los dos centros alem anes, u n ejem plo de lo cual eran Paul؛ y Heisen- berg, estudiantes de Som m erfeld, que llegaron a G otinga desde M únich. Fue Bohr en C openhague, sin em bargo, la fuerza dom inan te en la prim era fase de la teoría atóm i- ca. U n nuevo institut(-) universitario de física teórica, conocido generalm ente com o el «Instituto de Bohr» se fundó en 1921 y atrajo a un gran núm ero de visitantes de todo el m undo. Tanto antes com o después de la m ecánica cuántica, se reconocía que el institu to de Bohr era la m eca de la teoría atóm ica (tabla 11.1).

La mecánica cá n tica de Heisenberg

£1 cam ino hacia la mecánica cuántica pasaba por la teoría de la radiación, e incluía com o un im portante com ponente los intentos de construir teorías mecánico-cuánticas de la dispersión basadas en ecuaciones en diferencias, en vez de diferenciales. Este trabajo lo llevaban a cabo Born y sus colaboradores en Gotinga, y tam bién en Copenhague, donde Kramers había estado profundam ente ocupado con el problem a de la dispersión. En oto- ño de 1924, Kramers y Heisenberg publicaron una im portante teoría de la dispersión que, en retrospectiva, puede considerarse el prim er paso decisivo hacia la nueva mecánica cuántica. El problem a de la radiación se había convertido por aquel entonces en uno agudo, especialmente com o resultado del descubrim iento por parte de A rthur Com pton en 1923 de que los pulsos de rayos X m onocrom áticos actúan como partículas con m om entos y energía de acuerdo con ظ vieja hipótesis cuántica para la (uz (p = h v /c y E = hv, siendo V la frecuencia). Una conclusión similar se obtuvo independientem ente por Debye en Zúrich. El im portante descubrim iento de C om pton causó gran preocupación en Copen- hague, donde Bohr se resistía firmemente al cuanto de luz, o la interpretación fotónica. Com o alternativa, Bohr y Kramers desarrollaron una idea de John Slater en una teoría de radiación no fotónica. La teoria Bohr-Kramers-Slater de 974ا estaba basada en la noción de «osciladores virtuales» y la suposición de que ظ energía se conservaba sólo estadística- m ente en l a s ' ' entre átom os y radiación. Bohr y sus colaboradores abandona-ron no sólo la conservación de la energía estricta, sino que tam bién argum entaron que los procesos radiactivos no se podian describir causalmente en tiem po y espacio. Aunque la controvertida teoría Bohr-Kramers-Slater tuvo una corta vida -q u ed ó abandonada cuando W alther Bothe y Hans Geiger m ostraron en ظ primavera de 1925 que no se correspon- día con los experim entos- fue m uy influyente y guió a Heisenberg en su pensam iento posterior. Bohr aceptó la refutación experimental, pero ¡١© el fotón.

Bohr, Kram ers, H eisenberg y Pauli discutieron la creciente crisis en la teoría cuán- tica en u n encuentro en Copenhague en marz© de 1925. Unos meses después, de vuelta a Gotinga, H eisenberg encontró u n a m anera de form ular una teoría cuántica abstracta que prom etía ser fundam ental, lógicam ente consistente y libre de las dificultades de la teoría de Bohr-Som m erfeld. El tem a conceptual conductor de la nueva teoría era, com o Heisenberg escribió en su breve resum en de su sem inal articulo en Zeitschriftfür Physik el 18 de septiem bre de 1925, la búsqueda de u n «firndam ento para una mecá- nica cuántica teórica fondada exclusivam ente en relaciones entre cantidades que son


en principio observables». M ás adelante en el artículo, elaboró este punto : «Parece sensato descartar toda esperanza de observar cantidades hasta ahora inobservables, com o ظ posición y el periodo del electrón [...] En vez de eso, parece m ás razonable in ten tar establecer una m ecánica cuántica teórica, análoga a la m ecánica clásica, pero en la cual sólo aparezcan relaciones entre cantidades observables». El criterio positivista de ob- servabilidad era la base filosófica de la teoría, pero no se tra taba de u n cim iento particularm ente nuevo o controvertido. La idea de que la teoría cuántica debería constru irse sobre cantidades observables, y de que po r tan to había que rechazar las órbitas electrónicas, fue entonces am pliam ente discutida, especialm ente por parte de Pauli y Born. Ya en 1919, en conexión con una critica de la teoría unificada de gravitación y electrom agnetism o de Weyl, Pauli había enfatizado que sólo las cantidades observables deberían figurar en teorías físicas. En ظ prim avera de 1925, Born y Jordán repitieron el m ism o m ensaje en un contexto m ecánico-cuántico, llam ándolo «un princip io funda- m ental de gran im portancia y fertilidad». De todos m odos, no existía u n cam ino claro desde el p rincip io de observabihdad a ط m ecánica cuántica, las raíces de la cual se pueden encon trar sobre todo en el sofisticado uso p o r parte de H eisenberg del principio de correspondencia de B ohr y su in tensa interacción intelectual con Pauli.

Para proporcionar una im agen tan sólo aproxim ada del razonam iento de Heisen- berg, considerem os ظ coordenada de posición de u n electrón en un átom o, x(n,t), donde n puede deno tar la energía. El electrón puede realizar u n m ovim iento periódi- co con frecuencia cú(n). A unque x(n ,t) no es una cantidad observable, se puede escr؛- bir com o.una serie de Pourier, y los térm inos de ésta pueden relacionarse con observables; es decir, se puede escribir com o ة«ض ) exp[iaaj(«)íj, donde el sum atorio es sobre los valores enteros de a . La expresión se caracteriza p o r u n juego doble de indi- ces, n y a , y H eisenberg sugirió que el té rm ino clásico وه («) exp[ia،jü(«)f] correspondía al térm ino cuántico a{n, n - a ) exp[iüj(tt, n - a ) í] . La nueva m agnitud era una m atriz o tabla de símbolos que dependía de la transición entre los dos estados cuánticos n y n -

Heisenberg encontró que la multiplicación de dos tablas cuánticas de este tipo, x e y , no satisfacía la ley conmutativa, es decir, que xy era distinto de yx. Éste era un resultado mis- terioso, y al principio Heisenberg lo consideró más desconcertante que im portante.

La nueva «reinterpretación» (Umdeutung) de la mecánica por parte de Heisenberg era altamente abstracta y no se entendía fácilmente, ni tan siquiera por el m ism o Heisenberg. La teoría conducía a algunos resultados físicos, aunque al principio no fueran m uy im- presionantes. Heisenberg planeaba al principio aplicar su teoría al átom o de hidrógeno, pero descubrió que incluso este sencillo caso era demasiado complicado para resolver. Por o tanto se centró en el caso m؛ enos realista, pero sin ser trivial, del oscilador inarmónico, que consiguió tra tar satisfactoriamente. Al m ism o tiem po, pudo ofrecer una justificación de la condición de frecuencia de Bohr (E - E = hv ١ Vlas condiciones de cuantización

' n m n m ' '

de Bohr-Sommerfeld. Para el oscilador arm ónico, encontró el espectro de energías En = ظ n + 1/2) hv derivando así ا energía del punto cero que había recibido un reciente apoyo de la espectroscopia molecular. En Gotinga, Born pronto se dio cuenta de la importancia de a teoría de Heisenberg؛ ظ, cual exam inó y extendió en un artículo escrito con Jordán. Bohr


se dio cuenta de que la multiplicación simbólica no conm utativa de Heisenberg se podía escribir utilizando el cálculo matricial y que las variables mecánico-cuánticas eran m atrices. Sobre esta base, Born y Jordán probaron la relación fundam ental de conm utación entre m om ento y posición: pq - qp = (hl2ttí) 1, siendo 1 la m atriz unidad. Con el conocim iento de que el cálculo matricial estaba diseñado para la mecánica cuántica, las cosas progresaron rápidamente. La teoría de Heisenberg quedó establecida sobre una firme base en noviembre de 1925 con el famoso «artículo de los tres hombres» (Dreimannerar- beit) de Born, Heisenberg y Jordán. Sin utilizar (o sin tener idea de) matrices, la teoría tam bién fue desarrollada po r un tal Paul Dirac de 23 años en la Universidad de Cam bridge. En el otoño de 1925, Dirac tenía preparada su propia versión de la mecánica cuántica, construida sobre una traducción de los productos de Heisenberg de dos cantidades cuánticas ( x y - y x ) a los corchetes de Poisson que se conocían de la dinám ica clásica. M uchos de los resultados que Born, Heisenberg y Jordán hallaron fueron obtenidos independientem ente por Dirac, cuya versión algebraica de la mecánica cuántica sería conocida com o el álgebra de núm eros q.

Fuera cual fuera la versión, la nueva m ecánica cuántica era más im presionante desde un pun to de vista m atem ático que desde uno em pírico. M uchos físicos eran escépticos po r la falta de visibilidad de la teoría y su poco fam iliar form alism o m atemático. Q uerían ver si la teoría tam bién era em píricam ente fructífera y podría considerar sistem as físicos simples que ocurrieran de verdad en la naturaleza. Un requerim iento m ín im o era que pudiera reproducir el espectro del hidrógeno de acuerdo con la vieja teoría de Bohr. Pauli y D irac tra taron independientem ente el átom o de hidrógeno no relativista de acuerdo a la m ecánica cuántica y m ostraron a principios de 1926 que p ro p o rcionaba los resultados correctos. Por aquel entonces, la hipótesis del éspín electrónico había sido in troducida a partir de evidencia experim ental de los físicos holandeses Sam uel G oudsm it y George Uhlenbeck. Este extrem adam ente im portan te descubrim iento no fue bien recibido en absoluto po r los creadores de la m ecánica cuántica. Al p rin cipio Bohr y Pauli rechazaron la idea del espín del electrón, entre otras razones porque parecía inconsistente con la estructura fina del hidrógeno. En cam bio, un análisis mas detallado dem ostró que no existía conflicto entre el espín y la m ecánica cuántica, y en la prim avera de 1926 Heisenberg y Jordán utilizaron una form a sim ple de la mecánica cuántica del espín para derivar la estructura fina del hidrógeno en aproxim ado acuerdo con la fórm ula de Sommerfeld. Esto fue satisfactorio, y fue incluso más satisfactorio que tam bién obtuvieran con éxito una explicación del efecto Zeem an anóm alo, el viejo enigm a que la prim era teoría cuántica había arrastrado. Sin em bargo, éstas eran sólo reproducciones de resultados que ya se conocían. Hasta el m om ento, la mecánica cuántica no había producido ni una sola predicción de un fenóm eno nuevo.

La ecuación de Schródinger

El austríaco Erw in Schródinger, catedrático de física en la U niversidad de Zurich. no pertenecía a la tradición de C openhague-G otinga-M únich. Había trabajado en va


rios cam pos, incluyendo radiactividad, relatividad general, term odinám ica y teoría de los gases, pero no había m ostrado m ucho interés po r la espectroscopia ni la teoría ató- mica. C uando em pezó a desarrollar la m ecánica ondulatoria, conocía la nueva teoría de Heisenberg, pero era una teoría que no le resultaba atractiva y que no le inspiraba. Por el contrario , com o escribió en uno de sus artículos de 1926 sobre m ecánica ondú- latoria, «no tenía n inguna conciencia en absoluto de una relación genética con Hei- senberg. N aturalm ente, conocía su teoría, pero p o r los m étodos de álgebra trascendental que, para mí, parecían m uy difíciles y po r la falta de claridad de visualización [Anschaulichkeit], m e sentía desanim ado con respecto a ella, po r no decir repelido» M oore 989ل, p. 205). C om parado con Heisenberg, Dirac, Jordán y Pauli, Erwin Schró-

dinger no era sólo conservador, sino que, a sus 39 años, tam bién era «mayor». Pero no file un caso sin rem edio, com o quedaría claro.

En 1925, m ientras trabajaba en la teoría de los gases, Schródinger estudió el traba- io de un físico francés relativam ente desconocido, Louis de Broglie, quien sugirió en su tesis de 1924 u n a p rofunda dualidad entre m ateria y ondas. En un in ten to de u n ir la teoría cuántica y la relatividad, De Broglie propuso com binar las dos fórm ulas de E؛n- stein de 1905 para la energía de los cuantos de luz y de m ateria m ediante la sencilla pero especulativa relación hv = me2. Es decir, de acuerdo a De Broglie, a una partícula de m asa m se le podría asignar una frecuencia y se podría caracterizar con una onda de fase. De Broglie utilizó su idea para p roponer una in terpretación ondu la to ria de la condición de cuantización de Som m erfeld y ؛)redecir que u n haz de electrones m o- viéndose con m om ento p exhibiría una naturaleza ondulatoria con una longitud de onda dada p o r X = h/p. Este resultado, válido para todo tipo de partículas y derivado u lteriorm ente a p artir de la m ecánica cuántica define la fam osa longitud de onda de De Broglie. La teoría no fue recibida favorablem ente y fue ignorada p o r la m ayor parte de los físicos ftrera de París. La física teórica francesa tenía una pobre reputación entre los físicos atóm icos y no se esperaba que nada interesante pudiera venir de París. El boicot oficial francés a la física alem ana no hizo que las cosas fueran m ás fáciles para que se apreciara un destello del genio de París. Sin em bargo, Einstein encontró algunas de las ideas de De Broglie útiles para su p ropio trabajo sobre la teoría cuántica de gases (estadística de Bose-Einstein) y, a través de Einstein, fúeron asum idas por Schró- dinger, estando este ú ltim o tam bién interesado principalm ente en la teoría de De Bro- glie en conexión con la teoría de gases, pero que a finales de 1925 se concentró en una nueva teoría ondu lato ria de los átom os inspirada p o r el dualism o onda-partícu la de De Broglie. El resultado fue una ecuación ondu lato ria para el á tom o del hidrógeno que, al resolverse, proporcionaría los autovalores de la energía: es decir, el espectro. Esta prim era ecuación de Schródinger era, de acuerdo con la teoría de De Broglie, total- m ente relativista y, por lo tanto, se esperaba que p roporcionara la fórm ula de estructu ra fina de Somnrerfeld. C uando Schródinger consiguió resolver finalm ente la ecua- ción, encontró sin em bargo que, aunque sí que p roporcionaba una fórm ula para la estructura fina, no reproducía el espectro correcto. Algo había ido mal, y Schródinger decidió publicar sólo la aproxim ación no relativista y la fórm ula de B ohr resultante.


El trabajo de Schródinger sobre m ecánica ondu lato ria apareció en cuatro largos artículos en Annalen der Physik en la prim avera y verano de 1926, bajo el títu lo com ún «La cuantización com o un problem a de autovalores». El físico austríaco in trodu jo su ecuación ondu lato ria fundam ental de distintas m aneras, n inguna de las cuales reflejaba la ru ta que originalm ente le había conducido a la ecuación. Lo im portan te era la m ism a ecuación para los autovalores de la energía, la cual escribió com o A4* + 8iT2m / / j 2( £ - V) - 0 para una partícula som etida a u n a fuerza con energía potencial V. Para el átom o de hidrógeno, V = -e^lr. Schródinger hizo no tar que la ecuación se seguiría de la ecuación de m ovim iento clásica E = p 2l 2 m + V si el m om ento se reem plazara po r el operador diferencial h l2ttí d /dx actuando sobre la función ondu la to ria .؛؛،La cuantización no se in troducía axiom áticam ente sino que, de algún m odo, se explicaba, requiriendo que la ecuación de ondas que satisficiera la ecuación fuera univalua- da. Siguiendo la m ism a línea, Schródinger creyó haber explicado los saltos cuánticos d iscontinuos de Bohr en térm inos de la teoría ondulatoria, una noción que le disgustaba profundam ente. «Es escasam ente necesario señalar», recordaba a los lectores de Annalen, «cuánto más gratificante sería concebir una transición cuántica com o un in tercam bio de energía de un m odo de vibración a o tro que la contem plara com o un salto de electrones. La variación de los m odos de vibración podría tratarse com o un proceso continuo en tiem po y espacio y que sería tan largo com o lo que persistiera el proceso de emisión» (Jam m er 1966, p. 261). De m odo similar, en una carta a Lorentz, Schródinger describió el m odelo de em isión de luz de Bohr com o «m onstruoso» y «realmente, casi inconcebible». Estaba evidentem ente em ocionado de poderse lib rar de tales m onstruosidades: «Estaba tan extrem adam ente feliz, prim ero, de haber llegado a u n a im agen en la cual p o r fin una cosa ux>tra realm ente ocurre con la frecuencia que observam os en la luz em itida que, con el acelerado aliento de un fugitivo perseguido, m e lancé sobre este algo en la form a en la cual se m e ofreció de la m anera más inm ediata, que era con las am plitudes subiendo y bajando periódicam ente con las frecuencias del pu lso» (M acK innon 1982, p. 234). En verano de 1926, Schródinger in trodu jo el operador energía E = -h/27ti d /d t y form uló la ecuación ondu lato ria dependiente del tiem po com o í/j/2tt díJj/rJt = Hij) o sim plem ente Hi\> = Ex\>, siendo 4؛ una función tan to de las coordenadas del espacio com o del tiem po y H el operador de H am ilton. Al m ism o tiem po, se dio cuenta de que la función de ondas tenía que ser u n a función compleja (en el sentido m atem ático) y no, com o había creído antes, real.

La m ecánica ondu lato ria de Schródinger presentaba grandes ventajas sobre los sistem as de m ecánica cuántica rivales. En particular, se constru ía con operaciones y conceptos m atem áticos b ien conocidos en o tras áreas de la física teórica y era por tanto m ucho m ás fácil de utilizar en cálculos prácticos. Los físicos que no estaban bien fam iliarizados con los m étodos m atem áticos podían consultarlos en Methods o fM athe- matical Physics de R ichard C o u ran t y D avid H ilbert, que apareció en 1924 y resultó cubrir justam ente los m étodos que se necesitaban en la nueva m ecánica cuántica. Además de facilitar los cálculos, la m ecánica ondu lato ria era tam bién m enos abstracta que la m ecánica m atricial y, de acuerdo a m uchos físicos, preferible desde u n pu n to de vis


ta conceptual. La m ayoría de los resultados derivados po r Schródinger eran un dupli- cado de los resultados ya obtenidos, por lo general de una m anera más aparatosa, m e- d iante m ecánica cuántica. Por ejemplo, Schródinger encontró que los autovalores del oscilador arm ónico eran En= { n + \/2 )h v , el m ism o resultado que había hallado Hei- senberg. ¿Cómo podía ser que la m ecánica cuántica y la ondulatoria, dos teorías basados en conceptos naturales com pletam ente distintos y utilizando herram ientas m atem á- ticas m uy distintas, produjeran los m ism os resultados cuando se aplicaban a sistemas físicos simples? Se sospechaba que las dos teorías eran equivalentes m atem áticam ente (pero no físicamente) desde hacía tiem po y, en la prim avera de 1926, Schródinger pro- bó que cualquier ecuación m ecánico-ondulatoria podía traducirse en una ecuación correspondiente en m ecánica cuántica o m atricial, y viceversa. Cari Eckart en Estados Unidos p roporcionó una prueba de equivalencia sim ilar de m anera independiente, y tam bién Pauli, que no se m olestó en publicarla.

En cuanto a la cuestión de la naturaleza y signifación de la función de onda, Schró- d inger no era m uy claro. Por u n tiem po, quería en tender las partículas com o consistentes en ondas, es decir, constru ir partículas solam ente de paquetes de onda concentrados. Sin em bargo, su m odelo ondu la to rio de la m ateriá encontró dificultades y más adelante en 1926, Schródinger sugirió que la función de ondas, a través del p roducto بمد * (donde ليا * es el com plejo conjugado de ثإأ ) era una suerte de firnción peso eléctri- ca, con la densidad de carga representada p o r إلألبمء . De acuerdo con esta im agen, el electrón no era por tan to una partícula ؛ocalizada con precisión, sino que estaba re- partida p o r el espacio. Poco después Born, en un estudio de procesos de colisión, sugi- rió su fam osa interpretación probabilística, según la cual la deque la partícula esté en el estado 4؛ en el elem ento de volum en dv. La in terpretación de Born, rápidam ente adoptada y desarrollada p o r Pauli, Jordán, Dirac y otros, fue de gran im portancia porque in trodu jo explícitam ente un elem ento de probabilidad irre- ductible en la microfísica. Esto im plicaba un cam bio en el significado de las leyes naturales, pero no que las leyes causales no fireran ya fúndam entales en física. C om o for- m uló Born en su artículo del verano de 1926, «el m ovim iento las partículas se pliega a las leyes de la probabilidad, pero esta probabilidad se propaga de acuerdo a la ley de causalidad» (Jam m er 1966, p. 285).

La m ecánica ondu lato ria de Schródinger se recibió inicialm ente con cierto escept¡- cismo, y a veces incluso con hostilidad, entre los teóricos cuánticos en C otinga y Co- penhague. Tendían a considerar el énfasis en virtudes ciásicas com o la con tinu idad espacio-tem poral y la visualización com o un paso retrógrado. Heisenberg in form ó a Pauli que encontraba la teoría de Schródinger «desagradable». p©r o tro lado, recono- cían la ftrerza del sistem a de Schródinger y, tras las pruebas de equivalencia, la mayo- ría de ellos adoptaron una actitud pragm ática hacia las dos fo rn icac io n es rivales de la m ecánica cuántica. La mayoría de los físicos utilizaba el lenguaje y m atem áticas de la me- cánica ondulatoria, pero in terpretaban la teoría de Schródinger de acuerdo con las ideas de Bohr, H eisenberg y Born. Tras la in terpretación probabilística de la m ecánica cuántica de Born, Ja pregunta de cóm o generalizar la in terpretación y ' con


la m ecánica m atricial pasó a prim er térm ino. El paso esencial en este proceso, que llevaría a un form alism o com pletam ente general y unificado de la m ecánica cuántica, fue la teoría de transform aciones desarrollada por D irac y Jordán de m anera independiente a final de 1926. C on esta teoría, la m ecánica cuántica obtuvo una elegante estru c tu ra m atem ática y la diferencia entre las form ulaciones de Schródinger y H eisenberg p ron to perdieron casi toda su significación anterior.

Incluso en este satisfactorio estado, y las m últiples aplicaciones exitosas de la m ecánica cuántica en la espectroscopia y en otras áreas de la física, la teoría no dejaba de tener problem as. Estaba, por ejemplo, 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 una teoría fundam ental del m icrocosm os, debería ser consistente con la teoría fundam ental de los cuerpos m acroscópicos, la teoría (especial) de la relatividad. Sin em bargo era obvio desde el princip io que esto no era así. La ecuación de Schródinger es de segundo orden en derivadas espaciales y de prim ero en la derivada tem poral, en contradicción con la teoría de la relatividad. No era dem asiado difícil constru ir una ecuación de ondas cuántica relativista, com o Schródinger había hecho en privado y com o O skar Klein, W alter G ordon y varios físicos hicieron en 1926-1927. Por desgracia, esta ecuación, conocida com o la ecuación de K lein-G ordon, no p roporcionaba la estructura fina del h idrógeno correcta y resultó im posible de com binar con la teoría del espín que Pauli había propuesto en 1927. La solución apareció en enero de 1928, cuando Pauli publicó su clásico artículo «La teoría cuántica del electrón», que incluía una ecuación ondu la to ria relativista que incorporaba autom áticam ente el espín correcto. La ecuación de D irac era de la m ism a form a general que la de Schródinger, Hi\¡ = ihl2i\ ck\)fc)t, pero la función de H am ilton era de p rim er orden en 349/ x incluyendo m؛ atrices con cuatro filas y cuatro colum nas; p o r tanto , la ecuación ondu lato ria de D irac tenía cuatro com ponentes. Es notable que, sin in troducir el espín del electrón al principio, la ecuación contenía el espín correcto. La nueva teoría se aceptó rápidam ente cuando se vio que la ecuación de autovalores de D irac para u n átom o de hidrógeno p roporcionaba exactam ente la m ism a ecuación para la energía que Som m erfeld había derivado en 1916. La ecuación ondu lato ria relativista de D irac m arcó el final de la fase p ionera y heroica de la m ecánica cuántica, y tam bién m arcó el princip io de una nueva fase. P ronto quedó claro que la ecuación contenía sorpresas, sutilezas y problem as que D irac jam ás habría im aginado al derivarla.

Difusión y recepciones

La m ecánica cuántica se difundió rápidam ente desde G otinga y los o tros centros donde se había constru ido originalm ente la teoría. La transm isión de nuevas ideas y resultados tuvo lugar form alm ente, a través de revistas científicas, adem ás de in form alm ente, a través de conferencias e intercam bio de cartas y m anuscritos. La red in form al organizada alrededor de G otinga y Copenhague incluía sólo a un pequeño g ru po de físicos europeos, y contaban con la ventaja de unas com unicaciones rápidas


frente a los que quedaban fiiera de ella. Desde el verano de 1925 a la prim avera de 1926, las publieaeiones sobre m ecánica cuántica se d ispararon; al principio, su núm ero se duplicaba cada dos meses. Entre 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 po que m ediaba entre la recepción de un m anuscrito por los editores y la aparición im presa era a m enú- do m uy corto: sirva com o ilustración el artículo de D irac sobre el espectro del hidrógeno que se recibió en los Proceedings of t he Poya¡ Society el 22 de enero de 1926 y se publicó el 1 de m arzo de ese año. Incluso más rápida fue la publicación del artículo de Born sobre problem as de colisión, en el que in trodu jo la in terpretación probabilís- tica. Zeitschriftfür Physik recibió el artículo el 25 de jun io de 1926 y se publicó el 10 de julio. Las velocidades de publicación ten ían una explicación: de acuerdo con la políti- ca de Zeitschrift, cualquier físico «reputado» podía publicar su artículo sin necesidad de arbitraje. Max Born era sin duda un físico reputado. En el caso de los Proceedings, un m iem bro plenario (fellow ) de la Roya! Society podía p roponer artículos de o tra persona y, de este m odo, evitar la necesidad de árbitros. El artículo de D irac lúe propues- to po r Ralph Fowler,fe llow de la Royal Society.

La sim ple tarea de m antenerse al día con la literatura era difícil. Edward C ondon recordaba el ritm o al que se desarrollaba la m ecánica cuántica en aquella época: «Las grandes ideas aparecían tan rápido duran te ese periodo (1926-Í927) que uno sacaba una im presión totalm ente errónea del ritm o de progreso norm al en física teórica. Uno sufría indigestión intelectual casi todo el tiem po ese año, y era de lo m ás desalentador» (Sopka 1988, p. 159). El clim a era altam ente com petitivo y frecuentem ente d istintos fí- sicos publicaban los m ism os resultados independientem ente, o los físicos tenían que abandonar to talm ente la idea de publicar sus resultados al ser superados po r colegas com petidores. En este juego de publicaciones, los físicos alem anes y sus aliados en Co- penhague tenían la ventaja de u n fácil y rápido acceso a resultados publicados y sin publicar. Los estadounidenses, en cam bio, tenían norm alm ente que esperar al m enos un mes más hasta que podían leer los artículos de las revistas de física alem anas. El espí- ritu com petitivo en m ecánica cuántica de la época quedó expresado po r John Slater quien, en una carta a Bohr en mayo de 1926, escribía algo am argam ente sobre su frus- tración al verse superado en la carrera de las publicaciones: «Es m uy difícil trabajar aquí en los Estados U nidos sobre cosas que están cam biando tan rápido com o ésta [m ecánica cuántica], porque tardam os m ás en oír lo que se está haciendo, y cuando po r fin nos ponem os, es probable que alguien en Europa ya haya hecho lo m ismo» (Kragh 1990, p. 21).

?au li se refirió u n a vez a la m ecánica cuántica com o Knabenphysik, física de chava- les, porque m uchos de los principales actores eran todavía veinteañeros. Por ejemplo, en septiem bre de 1925 Heisenberg tenía 23 años, Pauli 25, Jordán 22 y D irac acababa de cum plir 22. M ás de la m itad de la prim era generación de físicos cuánticos, es decir, los ochenta físicos, m ás o m enos, que con tribu ían a ظ m ecánica cuántica en ese periodo, nacieron después de 1895, y escribían aproxim adam ente el 65 por 100 de todos los artículos. M uchos de estos brillantes físicos pensaban, arrogantem ente, que la m ecáni


ca cuántica les pertenecía y que la m ayor parte de los físicos mayores eran sim plem ente incapaces de dom inar la teoría. «Era m uy difícil no quedarse senil después de haber vivido tre in ta años», recordaba Friedrich von Weízsacker, en 1932 u n m iem bro de veintidós años de la pandilla de físicos de nueva generación. «Sentía que la actitud general era sim plem ente una actitud de [...] un inm enso “H ochm ut”, un inm enso senfí- m iento de superioridad, com parado con los viejos catedráticos de física teórica, con todos los físicos experim entales, con todos los filósofos, los políticos y con todo tipo de gente que pudieras encon trar en el m undo, porque nosotros habíam os com prendido el asunto y ellos no sabían de qué hablábam os» (Kragh 1996b, p. 89). Según queda patente en la tabla 11.2, Alem ania y sus países colindantes dom inaban la prim era fase de la m ecánica cuántica. Fueran los físicos cuánticos alem anes o no, el lenguaje principal de la m ecánica cuántica era el alem án. La revista m ás im portan te era Zeitschrift fü r Physik, en la cual m uchos físicos no alem anes publicaron sus resultados y que incluyó sesenta y ocho artículos sobre m ecánica cuántica entre julio de 1925 y m arzo de 1927. Es tam bién destacable la débil posición de Francia, donde la m ecánica cuántica tan

TABLA 11.2?ublicaciones y autores de m ecánica cuántica, de julio 1925 a m arzo 1927

PaísN úm ero de

autoresArtícidos escritos Artículos escritos

por ellos en el país

Artículos publicados en el

país

Alemania 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

E uropa C entral, total 35 94,5 103 13.7.

Francia 2 *12 12 14

G ran Bretaña 6 15 18 30

Estados U nidos 19 34,5 26 27

URSS 11 11 11 9

Italia 3 4 4 1

Suecia 2 6 5 0

O tros 3 5 3 0

Total 81 182 182 203

Nota: Las primeras dos columnas no se refieren a las nacionalidades de los autores sino dónde permanecieron la mayoría del tiempo en el periodo. El número de artículos de la columna 2 incluye artículos y recensiones originales, pero no traducciones ni notas preliminares, que están incluidas en la columna 4. La columna 3 muestra el efecto de los visitantes extranjeros. Fuente: Basado en datos en Kojevnikov y Novik 1989.


sólo se había disem inado lentam ente y sin p roducir contribuciones de gran im portancia. La única aportación francesa a la literatura de la m ecánica cuántica de la época fue la de Louis de Broglie y Léon Brillouin.

C om parada con la teoría de la relatividad, la m ecánica cuántica se desarrolló rápi- dam ente, se disem inó velozm ente y apenas encontró resistencia. Tam bién al contrario que la relatividad, la m ecánica cuántica atrajo escaso interés público. E ddington era uno de los pocos científicos que escribió acerca de la teoría para lectores no científicos. A unque la m ecánica cuántica no era m enos antiin tu itiva que la relatividad, no existía con trapartida cuántica a la literatura antirrelativista que floreció en los años veinte. La rápida disem inación científica tuvo lugar no sólo po 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 er libro de texto dedicado e ^ c íf ic a m e n te a la mecá- nica cuántica parece haber sido The N ew Q uantum Mechanics del físico de C am bridge George Birtwistle. Publicado en 1928, el libro proporcionaba un detallado exam en de las principales con tribuciones a la m ecánica m atricial y ondu la to ria , desde la teoría de ondas de m ateria de De Broglie en 1923 hasta el princip io de com plem entariedad de Bohr. O tros m onográficos p ioneros inc lu ían M ateriewellen und Q uantenm echanik de A rthur Haas (1928), Gruppentheorie und Q uantenm echanik de Weyl (1928), el suplem ento sobre m ecánica ondulatoria de Atom bau und spektrallinien de Som m erfeld (1929), Q uantum Mechanics de Edw ard C ondon y Philip M orse (Í929) y Elemen- tare Q uantenm echanik de Born y Jordán (1930). Este ú ltim o libro, que se basaba en m étodos abstractos de m ecánica m atricial en vez de la más fácilm ente aplicable mecá- nica cuántica, no fue u n éxito. El libro m ás influyente de los prim eros libros sobre m e- cánica cuántica fue sin duda The Principies o fQ u a n tu m Mechanics de D irac en 1930, el cual, a pesar de ser abstracto y en general poco pedagógico, tuvo u n enorm e éxito. Se im prim ieron varias ediciones y traducciones, y se convirtió en el trabajo de referencia sobre m ecánica cuántica en los años treinta.

M ientras que la vieja teoría cuántica no se había cultivado dem asiado entre los fí- sicos estadounidenses, la nueva m ecánica cuántica se recibió entusiasta y positivam ente en una com unidad física en fuerte crecim iento. D uran te la últim a m itad de los años veinte, la física estadounidense m aduró y ascendió a una posición principal en la fí$i- ca m undial. Por ejem plo, el núm ero de m iem bros y m iem bros honorarios de la Socie- dad A m ericana de Física se increm entó rápidam ente, de unos 1.100 en 1920 a 1.800 en 1926 y 2.400 en 1930. Physical Review creció de m anera correspondiente, tan to en ta- m año com o en im portancia. En 1929 las 2.700 páginas se d istribuian en 281 artículos, de los cuales unos 45 se dedicaban a aspectos de la m ecánica cuántica. Por aquel entonces, se sentía la necesidad de recensiones más am plias, po r ejem plo de m ecánica cuántica, y el resultado fue el lanzam iento en 1929 de Reviews o fM odern Physics, cuyos prim eros dos núm eros aparecieron com o Physical Review Supplement. Entre los prim eros artículos de recensión estaba «The General Principies o f Q u an tu m M echanics» de Edwin Kemble y Edw ard Hill, que cubría tan to la m ecánica m atricial com o la ondu lato ria en m ás de 100 páginas. U na im portan te razón para la rápida y fácil recep


ción de la m ecánica cuántica en los Estados U nidos eran los viajes a Europa que hacían jóvenes físicos estadounidenses ١٢ las visitas a universidades de Estados U nidos que ha- cían físicos cuánticos europeos. A finales de los años veinte, más de tre in ta estadounidenses estudiaron en centros de física teórica europeos, de los cuales Gotinga, M únich, Zurich, Copenhague y Leipzig eran los más populares. Las visitas y giras académ icas de físicos europeos se hicieron com unes e incluyeron pioneros com o Som m erfeld, Born, Heisenberg, D irac, Kram ers, Eíund y Brillouin. Las clases de Born en el M assachusetts Institute o f 'le c h n o lo g y y e n o tras universidades de Estados U nidos du ran te 1925-1926 fireron de especial im portancia, porque in trodu jeron ظ m ecánica cuántica a los físicos estadounidenses en un m om ento en el que la teoría todavía se estaba com pletando.

La últim a parte de los años veinte fue testigo de un notable giro en la estructura interna de la física, desde el trabajo experim ental al teórico. M ientras que en 1910 sólo sobre el 20 p o r 100 de la literatura m undial de física consistía en artículos que eran sobre todo teóricos, en 1930 el porcentaje estaba cerca de 50. El giro era u n a tendencia m undial, causada claram ente p o r la m ecánica cuántica, pero fue particu larm ente im - po rtan te en los Estados U nidos, donde la teoría se había cultivado tradicionaím ente m enos que en Europa. A unque n ingún estadounidense partic ipara en la fase creativa de la m ecánica cuántica, rápidam ente se pusieron al día y contribuyeron de m anera im portan te a la segunda fase. Entre la p rim era generación de los físicos cuánticos estadounidenses estaban Cari Eckart, John Slater, John van VJeck, David D ennison, Robert © ppenheim er y el quím ico Linus Pauling. C om o ط m ayor parte de los dem ás m iem - bros de la prim era generación de físicos cuánticos, trabajaban principalm ente en los aspectos teóricos de la m ecánica cuántica.

M uchos físicos europeos se ocuparon con profundidad de las im plicaciones t'rlosó- ficas de la nueva m ecánica y dedicaron m ucho tiem po a d iscutir el significado general de las extrañas características no clásicas de la teoría. ¿Empiezan a existir las propiedades físicas sólo com o resultado de las medidas? Si es así, ¿es el m undo observado real y objetivo? ¿Se pueden distinguir objeto y sujeto o form an u n todo indisoluble? ¿Pueden extrapolarse las lecciones de la m ecánica cuántica a la sociedad y la cultura? Para Bohr, Einstein, Heisenberg, Jordán y otros, era tan im portan te en tender estas características com o calcular problem as físicos con la nueva técnica. La actitud de los e ^ d o u n id e n - ses era claram ente diferente. A unque existía u n considerable interés entre los estadounidenses acerca de problem as fundam entales, po r ejem plo en la correcta form ulación del principio de incertidum bre, no les im portaban dem asiado los elevados problem as filosóficos asociados con la m ecánica cuántica. Éstos, sencillam ente, no aparecían en los artículos y libros publicados p o r físicos estadounidenses, cuya actitud era pragm á- tica e inspirada po r el o ^ ra c io n a lism o postulado en Logic o fM odern Physics de Bridg- m an. De acuerdo con esta actitud, los resultados experim entales era lo único que im- portaba y que tenía sentido discutir; el trabajo de los físicos cuánticos era p o r tan to realizar cálculos que pud ieran com probarse experim entalm ente. Los pun tos de vista fi- losóficos (o quizás antifilosóficos) de Slater, com o los expresó en 1937, eran aceptados p o r la gran m ayoría de los físicos estadounidenses:


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 plem entariedad de Bohr y las interpretaci©nes relacionadas de los procesos cuánticos) dejaba tan fríos a los esta- d o u n id e n s e s com o em ocionados a m uchos físicos continentales. Por supuesto, la falta de interés en el princip io de com plem entariedad no era exclusiva de los estadounidenses, pero lo m ucho que los físicos de Estados U nidos ignoraban la filosofía de Bohr incluyendo a los que habían visitado a Bohr en C openhague) es, a pesar de todo, no-

table. «No m e agradaba del todo», recordaba D irac en 1963 acerca del principio de com plem entariedad, y explicaba que «no te proporcionaba n inguna ecuación que no tuvieras ya» (Kragh 1990, p. 84). Para D irac, esto era suficiente para que ظ idea le de- sagradara, y sus colegas de Estados Unidos solían estar de acuerdo.

C uando llegó ia m ecánica cuántica, la física teórica estaba esencialm ente lim itada a Europa y Am érica del N orte. La física m oderna llegó tarde a Japón, donde despegó tan sólo en los años treinta. El p ionero japonés fue Yoshio N ishim a, u n físico que pasó la m ayor parte de los años veinte en Europa en u n a visita prolongada que incluyó seis años en Copenhague con Bohr. La m ecánica cuántica se in trodu jo en parte m ediante clases im partidas p o r occidentales, incluyendo a O tto Laporte, Som m erfeld, D irac y Heisenberg. A p a rtir de la prim avera de 1931, N ishim a im partió clases sobro m ecáni- ca cuántica en la Universidad de Kioto, u tilizando el nuevo libro de Heisenberg, Die physikalische Prinzipien der Quatitentheorie, y más tarde Principies o fQ u a n tu m Mecha- nics de Dirac. Los esfuerzos de N ishim a fueron cruciales para la creación de la potente escuela de física cuántica teórica 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 que se aceptara el m odelo nuclear de la estructura atóm ica, varios fí- sicos com enzaron a especular sobre la estructu ra del m inúsculo núcleo atóm ico. £1 pu n to de vista general era el propuesto po r R utherford, es decir, que el núcleo se com- ponía de electores y de partículas unitarias con carga positiva, estas ú ltim as idénticas al núcleo del h idrógeno y frecuentem ente denom inadas «electrones positivos» o partí- culas H; o, a p a rtir de 1920, protones. Parecía evidente que el núcleo contenía electrones, porque las partículas positivas necesitaban claram ente alguna electricidad negat؛- va que im pidiera que el núcleo estallara. Además, se sabía desde 3اول que los electrones beta tenían su origen en el núcleo y no en las capas de electrones exteriores. Esto mis- m o había sido argum entado, entre otros, po r Bohr, quien en su obra de 1913 señalaba que «el hecho de que dos elem entos aparentem ente idéntic¿s [isótopos] em itan part،- culas (؛؛ a distintas velocidades, m uestra que los rayos p, adem ás de los rayos a , tienen su origen en el núcleo» (Bohr 1963, p. 53).

De acuerdo con el m odelo atóm ico nuclear, el núm ero másico A y el núm ero ató- m ico z deberían depender del n ú m ero de p ro tones (p ) y electrones (e) de la form a A = p y Z = p - e . Por otro lado, los núcleos de cuerpos radiactivos tam bién producían partículas alfa, que p o r tan to tam bién se suponían constituyentes nucleares adicionales. Para u n núcleo con a partículas alfa, la ecuación sería A = 4 a + p y Z = 2 a + p - e . £sta hipótesis gozó de am plia aceptación entre 1915 y 1932. De hecho, ni un sólo físi- co parece haber dudado de la hipótesis de electrones nucleares y lo que se ha denom :- nado acertadam ente el paradigm a de ¡as dos partículas, es decir, que toda ظ m a te ra consistía en electrones y p ro tones (si bien algunas veces en form as ligadas, com o par- tículas alfa ٧ o tras com binaciones). Entonces ¿cómo se d isponían las dos o tres especies nucleares en el núcleo? D ada la casi total ausencia de evidencia experim ental, era una tarea im posible constru ir m odelos nucleares fiables en los años diez y veinte. Sin

El surgimiento de la física nuclear 169

in r- irg o , un núm ero sorprendentem ente alto de físicos (y de quím icos tam bién) no se * m anaron ante ؛as dificultades y especularon más o m enos librem ente sobre las es- سصء nucleares. Ea m ayoría de estos m odelos eran puram ente especulativos, fre- caentem ente basados en vagos argum entos num erológicos, pero unos pocos eran de ^ :^ ra le z a más seria. Por ejem plo, en 1918 el físico de M únich W llhelitt Lenz constru- س :’7 m odelo de una partícu la alfa de acuerdo a las leyes de la teoría cuántica, es de- a r . cuatro protones g irando en un p lano ecuatorial con un electrón en cada polo. Som- —̂ rteld se refirió positivam ente a este m odelo en su Atom bau.

El más em inente de los físicos nucleares de la p rim era generación fue tam bién el ص prolífico de los hacedores de m odelos, y no el m enos especulativo. Inspirado en ._> experim entos anteriores de esparcim iento alfa, R utherford sugirió en su clase ba- ·eriana de 1920 que pod rían existir o tras partículas en el núcleo distintas de los elec- trenes, alfas y protones. R utherford argum entó que existía la evidencia de un núcleo C£ helio ligero, que consistía en tres protones ligados por u n electrón (X+3+ según ظ notación de R utherford), y quizá tam bién de u n isótopo pesado del hidrógeno, form a- do por dos protones y un electrón; y -¿p o r qué n o ? - el núcleo tam bién contenía una partícula neu tra com puesta de un p ro tón y un electrón, un «neutrón», de acuerdo a Rutherford. Tam bién fue en esta ocasión cuando R utherford in trodu jo el nom bre protón». R utherford estaba fascinado en particu lar po r la posibilidad de los neu tro -

nes, ya que éstos «entrarían fácilm ente en la estructu ra de los átom os, y podrían o bien m iirse al núcleo o bien desintegrarse p o r el fuerte cam po de éste, dando lugar posible- m ente al escape de u n átom o H cargado [protón] o de u n electrón o de ambos» (Ba- dash 1983, p. 886). Puede que R utherford no fuera consciente de que sus «neutrones» habían sido propuestos ya en 1899 po r el físico a u s tra lian o ̂ا1ا؛سم ؛ Sutherland, quien sugirió que el éter consistía en dobletes de electrones positivos y negativos. La sugerencia de Sutherland fue asum ida p o r N ernst en su fidedigno libro de texto Theoreti- cal Chemistry, donde apareció en todas sus ediciones entre 1903 y 1926. M ientras que la idea de los átom os ligeros de helio se basaba en una endeble evidencia experim ental y se abandonó en 1924, la hipótesis del n eu trón gozó de una larga vida y se tom ó bastante en serio en Cam bridge, lam es Chadwick creía en su existencia tan to com o Ru- therford, e in ten tó en varias ocasiones detectar la h ipotética partícula du ran te los años veinte. N o lo consiguió hasta 1932, y entonces resultó que después de todo la partícu- la neu tra observada no era el n eu tró n de Rutherford. Rutherford con tinuó desarro- liando sus ideas sobre la estructura atóm ica, y en 1925 llegó a la conclusión de que el núcleo consistía en un centro enorm e rodeado de satélites positivos y negativos (protones y electrones). C onsideró su m odelo de satélites lo bastante im portan te com o para incluirlo en Radiationsfrom Radioactive Substances, escrito jun to con Chadw ick y Charles D. Ellis y publicado en 1930.

La mayoría de las hipótesis de Rutherford se basaban en interpretaciones de exper؛- m entos en los que se bom bardeaban sustancias con partículas alfa. En diciembre de 1917 escribió a Bohr, «estoy detectando y contando los átom os ligeros puestos en m ovim iento po r partículas a y los resultados, yo creo, ilum inan bastante el carácter y distribución de


fuerzas cerca del núcleo. También estoy intentando rom per el átom o m ediante este m éto- do» (Stuewer 1986a, p. 322). El más im portante de estos experim entos se lievó a cabo en M anchester en 1919, poco antes de que Rutherford partiera hacia Cambridge para ser director del laboratorio Cavendish. En una reinvestigación de experimentos realizados anteriorm ente por Em est M arsden, Rutherford estudió la acción de las partículas alfa sobre varios gases, detectando los escintilaciones producidas por las partículas de largo alcance form adas por la acción. Con nitrógeno puro, observó lo que denom inó un efecto anó- malo: la producción de partículas de largo alcance similares a las obtenidas con hidróge- no. «Es difícil evitar la conclusión», escribió, «de que estos átom os de largo alcance que surgen a partir de la colisión de partículas alfa con nitrógeno no sean átom os de nitróge- no sino probablem ente átom os cargados de hidrógeno, o átom os de masa 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 una colisión de corto alcance con una partícula a rápida, y que el áto- ٥١^ de hidrógeno que se libera form aba una parte constituyente del núcleo del nitrógeno» (Beyer 949 ا, p. 136). La conclusión de Rutherford era en su mayor parte correcta, como quedó probado por trabajos adicionales en el Cavendish. Había conseguido la prim era de- sintegración artificia) de un núcleo atóm ico y así había abierto una nueva etapa en la historia de ط alquim ia m oderna. El proceso era '*N + *He 17 ي o + 'H , aunque Rutherford 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 no m ostraron ninguna traza de partí- culas alfa provenientes de los á to m o s '

D urante los años siguientes, R utherford y su equipo del Cavendish continuaron este tipo de experim entos con ط esperanza de transfo rm ar aún más elem entos. En el Institu to del Radio de \ 'ie n a se realizaba un trabajo similar, pero con distintos resultados. M ientras que R utherford y Chadwick no encon traron evidencia de la desintegra- ción de elem entos más pesados que el potasio, n i para el berilio y el litio, los físicos de Viena Gerhard Kirsch y Hans Retter$on (este últim o, sueco) m antenían haber tenido m u- cho más éxito desintegrando elem entos. No sólo dieron a conocer resultados m uy distin tos de los producidos en C am bridge, sino que tam bién atacaron el m odelo nuclear de satélites de R utherford. El desacuerdo se convirtió en una prolongada controversia con algunos com ponentes iguales a los que caracterizaron al fam oso episodio de los rayo$ N a princip ios de siglo. C om o resultado de una visita que Chadw ick realizó al Ins- titu to de Viena en 1927, encontró que el equipo austro-sueco no contro laba sus resultados y que el recuento de escim ilaciones estaba sistem áticam ente desplazado hacia los valores (dem asiado) elevados que deseaban encontrar. Según u n historiador, «el recuento lo realizaban mujeres; el razonam iento era que ellas se podían concentrar en ط tarea más intensam ente que los hom bres, ya que en todo caso tam poco tenían m ucho en sus cabezas; m ujeres eslavas, p o r sus ojos grandes y redondos, más adecuados para contar. A las m ujeres se les decía qué ritm o de recuento era el anticipado y, ansiosas por agradar, lo proporcionaban» (Badash 1983, p. 887).

La física nuclear en los años veinte estaba ín tim am ente ligada a la radiactividad y ط ún ica fuente de proyectiles de altas energías eran las partículas alfa y beta em itidas por

El surgimiento de la física nuclear !71

Jitancias radiactivas que se daban en la naturaleza. Para m ؛ edir la in tensidad y direc- d o n de las partículas, fueran éstas esparcidas o producidas p o r desintegración, ñor- m alm ente se utilizaban sencillos aparatos de e ^ n tila c io n e s . £1 recuento visual de es- t i t i la c io n e s se rem ontaba a 1908, cuando Erich Reg،؛ner, de la U niversidad de Berlín, concluyó que cada partícula alfa que incidía sobre una pantalla fosforescente producía una " El sencillo m étodo se utilizó extensivam ente hasta principios de los años trein ta. £1 experim ento de R utherford en 1919 no utilizó aparatos más avanzados que los que utilizaran Geiger y M arsden en sus experim entos de esparcim iento alfa

’ diez años antes. La falta de dinero y de tecnología disponible hacíaque los experim entos del Cavendish fueran sencillos y de acuerdo con la predilección personal de R utherford p o r los m étodos rudim entarios; sin em bargo, no todos los m é- todos eran rud im entarios. U no de los instrum entos más im portan tes en la infancia de la física nuclear fue el espectrógrafo de masas e l^ tro m ag n ético , desarrollado po r Fran- cis Aston a p a rtir de su prim era versión en 1919. A finales de los años veinte, el espec- trógrafo de m asa se había convertido en u n com plicado y caro instrum ento .

La cám ara de niebla em pezó a desem peñar u n papel im portan te para los propósi- tos de detección en los años veinte. £1 principio de hacer visibles las trazas de gotitas ionizadas m ediante u n a expansión súbita fue descubierto p o r Charles T. R. W ilson en el laboratorio Cavendish a finales de la década de 1890, en conexión con estudios m e- teorológicos. En 1911, W ilson concluyó la in s t r u c c ió n de ظ p rim era cám ara de niebla para estudiar las trayectorias de partículas ionizadas y tom ó la prim era fotografía de cám ara de niebla. En 1921 T. Shim izu, u n físico japonés que trabajaba en el Caven- dish, encontró una m anera de operar la cám ara au tom áticam ente, y la técnica fue me- jo rada aun m ás por Patrick M.S. Blackett. Prácticam ente todo el trabajo innovador sobre ' y técnicas de cám ara de niebla se llevó a cabo en el laboratorioCavendish, que tam bién fue el lugar donde nacieron las cám aras, o contadores, de io- nización de gas. La versión más efectiva de los prim eros contadores de ionización fue di- señada por Hans Geiger en 1913. C uando la guerra estalló, Geiger regresó a Alemania para servir en la artillería; tras 1918, prosiguió su trabajo en contadores de ionización. El contador Geiger-Mülfer, m oderno y altam ente sensible, tue un invento alemán. Fue desarrollado en 1928 por Geiger y su colaborador en la Universidad de Riel, Walther M ü- 11er. El desarrollo en m étodos de detección en la década de los veinte y posterio debía m u- cho a la ingeniería electrónica, especialmente el uso de circuitos de válvulas de vacío.

mecánica cuántica y el núcleo ا؛ا

Ea m ecánica cuántica era una teoría general de los átom os y electrones. Tam bién se suponía válida para el núcleo atóm ico pero, duran te la p rim era fase de la m ecánica cuántica, no existieron in tentos de aplicar la nueva teoría a la física nuclear. La sitúa- ción cam bió en verano de 1928, cuando se reveló que la radiactividad alfa podía entenderse en térm inos de m ecánica cuántica. La im portan te teoría m ecánico-cuántica de la desintegración alfa fue propuesta independien tem ente po r George G am ow en


G©t؛nga y Ronald G urney y Edward C ondon € ١١ P rin ce to n .( ئ٤١:١٦)(١٧, ٧١٦ físico ruso de veinticuatro años, argum entó (com o antes hiciera Rutherford) que el potencial nuclear debe ser fuertem ente atractivo a distancias m uy 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, vibrando u o rb itando alrededor del pozo de potencial. Clá- sicam ente, ط partícula alfa no ،sería capaz de pene tra r el potencial pero, de acuerdo a la interpretación de Born de la m ecánica ondulatoria de " ' existiría una pro-habilidad finita de que u n a partícula escapara del núcleo con u n a energía m enor que la altu ra m áxim a del potencial. Éste es el fam oso caso de una partícula ٧ onda de material atravesando una barrera de potencial por «efecto túnel», u n caso que hoy en día aparece en todo libro de in troducción a la m ecánica cuántica, pero que en 1928 era un nuevo y excitante fenóm eno.

G am ow consiguió, utilizando la m ecánica cuántica, encon trar la probabilidad de penetración y, después de traducirla com o la constante de desintegración, derivar una relación lineal entre el logaritm o de esta constante y la energía de las partículas alfa em itidas. Esta relación era justam ente la de Geiger-Nuttal, que se conocía em pírica- m ente desde el trabajo de Geiger y el físico inglés John Nuttal en 2 ل9ا . Existían derivaciones anteriores de la ley de Geiger-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 Gamow, al igual que la propuesta p o r G urney y C ondon, en gran parte idéntica, era m ucho m ás satisfactoria porque se basaba en una teoría fundam ental. La teoría de Ga- m ow -G urney-C ondon fue extrem adam ente im portan te , tan to porque proporcionó una convincente dem ostración de que la m ecánica cuántica es aplicable al núcleo ató- m ico com o porque conform ó el cim iento de otras aplicaciones de la m ecánica cuánti- ca a la física nuclear.

La naturaleza estadística de la radiactividad había sido un enigm a desde que se reconociera en la prim era parte del siglo. Se in ten tó en num erosas ocasiones proporcionar una explicación causal del origen de la radiactividad, pero fue sólo con la m ecáni- ca cuántica cuando quedó claro que estos in tentos de en tender la naturaleza estadística de la radiactividad eran fútiles. C om o G urney y C ondon dijeron en 929ل, refiriéndose a estos ؛m em os: «Ha sido m uy desconcertante el tiem po en que hem os aceptado una d inám ica según la cual el com portam ien to de las partículas está fijado de m anera precisa p o r las condiciones. H em os tenido que considerar que la desintegración se debía a la ex traord inaria conjunción de decenas de sucesos independientes en los movi- m ientos orbitales de las partículas nucleares. Ahora, en cam bio, cargam os toda la responsabilidad sobre las leyes de la m ecánica cuántica, reconociendo que el com porta- m iento de las partículas en todas partes está igualm ente gobernado p o r la probabilidad» (Kragh 1997a, p. 357).

D uran te los años que siguieron a 1928, la m ecánica cuántica se aplicó con éxito a otros problem as que involucraban núcleos atóm icos, entre los cuales los problem as de colisión eran particu larm ente im portantes. Por ejem plo, en 1928 Nevill M ott, u n físi- co de C am bridge de veintitrés años, reprodujo la expresión de R utherford de 1911 para


la dispersión de partículas cargadas po r un núcleo puntual. M ás interesante fue que, para colisiones entre dos partículas idénticas (com o partículas alfa esparcidas p o r helio gaseoso) predijo un resultado distinto al de Rutherford: que para bajas velocidades el esparcimiento en un ángulo de 45 grados ocurriría con una frecuencia que sería aproxi- m adam ente el doble de la esperada clásicamente. La predicción, confirm ada m ediante experim entos de ?atrick Blackett مز Frank C ham pion con cám ara de niebla en 1931, fue una de las prim eras predicciones de ظ mecánica cuántica en el régim en nuclear.

Los trabajos de Gamow, M ott y G urney y C ondon no ilum inaron ningún aspecto nuevo sobre la estructura del núcleo, que todavía se suponía com puesto de electrones y protones. Éstas eran las únicas partículas elementales conocidas y, además, los núcleos radiactivos em itían electrones en form a de partículas beta. ?٠٢ o tro lado, duran te el final de los años veinte, se fue gradualm ente llegando a la conclusión de que, de algún m odo, los electrones no deberían tener cabida en el núcleo atóm ico. Eran necesarios, pero no bienvenidos. Uno de los problem as del m odelo de electrones y protones es que no estaba de acuerdo con las estadísticas nucleares determ inadas experim entalm ente. Los estudios sobre el especto rotacional de la m olécula N 2+ indicaban que el espín del núcleo de nitrógeno debía ser igual a uno. ?ero si el núcleo consistía en 14 p ro tones y 7 electrones, u n núm ero im par de partículas con espín u n m edio, debía tener él mis- m o espín un m edio. La discrepancia entre m edidas y expectativas teóricas fue señala- da po r Ralph Kronig, que sugirió en 1928 que «probablem ente uno se ve po r tan to forzado a suponer que los p rotones y electrones no conservan su identidad hasta el pun to en que lo hacen ftrera del núcleo» (Pais 1986, p. 3 (1 Ni Kronig ni otros pod .(ل ían ser más concretos en ese m om ento. Al año siguiente, estudios de espectros Ram an confir- m arón el resultado de que el núcleo del n itrógeno seguía la estadística de Bose-£inste؛n, es decir, ten ía espín entero. En G otinga, W alter H eitler y G erhard H erzberg am pliaron la conclusión de Kronig: «Parece com o sí el e lectrón en el núcleo perd iera, jun - to con su espín, tam bién su derecho a la partic ipación en la estadística del núcleo» (ibid., p . 302).

Incluso de m ayor im portan te que la anom alía del n itrógeno era el p roblem a de entender el espectro beta. En 1914 Chadw ick había hallado que el espectro de la radiactividad beta era continuo, aunque m ezclado con un espectro de líneas. De acuerdo a Chadw ick y los físicos del Cavendish, el espectro continuo era el real, m ientras que las líneas discretas tenían su origen en, po r ejem plo, un efecto fotoeléctrico in terno al sistem a electrónico, №٥١٠ p ropuso Charles Ellis en 1922. Sin em bargo, era posible explicar el espectro sin suponer que los electrones beta se em itieran con energías en una gam a continua. En Berlín, Líse M e؛tner sugirió que los electrones com enzaban con la m ism a energía pero que algo de ella se transform aba en radiación gam m a, lo que pro- duciría rayos beta secundarios. La alternativa propuesta p o r M eitner condujo a una prolongada controversia con los científicos del Cavendish. La controversia quedó zan- jada sólo a finales de los años veinte, cuando los experim entos dem ostraron ser incom patibles con la teoría de M eitner. Q uedó entonces firm em ente establecido que el espectro beta con tinuo tenía su origen en el núcleo. Esta conclusión, sin em bargo, era


m uy incóm oda desde un pu n to de vista teórico. De acuerdo a la m ecánica cuántica, un núcleo puede existir sólo en estados discretos de energía; asum iendo ظ conservación de la energía, una desintegración de dos partículas produciendo un núcleo hijo y un electrón beta no puede, p o r tanto , reproducir el espectro continuo.

Junto con el problem a de la estadística de espín y los problem as asociados a la m e- cánica cuántica relativista, el espectro beta con tinuo llevó a una especie de crisis en parte de la com unidad física entre 1929-1931. La respuesta de Niels Bohr a la crisis fue radical: la conservación de la energía fallaba en la desintegración beta. En una nota sin publicar de jun io de 929ل enfatizaba «qué poca base poseem os en este m om ento para un tra tam ien to teórico del problem a de las desintegraciones p » . C ontinuaba, «En efec- to, el com portam iento de los electrones ligados en u n núcleo atóm ico parece quedar to talm ente fuera del cam po de las aplicaciones consistentes de los conceptos m ecáni- eos ordinarios, incluso en su m odificación m ecánico-cuántica. Recordando que los principios de conservación de la energía y del m om ento son de origen puram ente cJá- sico, la sugerencia de su incapacidad para explicar la em isión de rayos p puede apenas rechazarse de antem ano dado el estado actual de la teoría cuántica». Bohr continuó abogando po r la violación de la conservación de la energía duran te al m enos tres años; recibió el apoyo de algunos de los físicos más jóvenes, incluyendo G am ow y Landau. G am ow fue el au to r del p rim er libro de texto que se escribió sobre física nuclear en su sentido m oderno: un iibro titu lado Constitution o fA tom ic Nuclei and Radioactivity y con fecha en eJ prefacio de 1 de mayo de 1931. Por aquel entonces, la física nuclear era u n cam po recién nacido. El libro, enfocado a proporc ionar «una descripción lo más com pleta posible de nuestro conocim iento experim ental y teórico de la naturaleza de los núcleos atóm icos», tenía 114 páginas. Gam ow se refería con aprobación a la idea de Bohr sobre la no 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 a- ñera absoluta al in ten tar describir el com portam ien to de los electrones nucleares; parece que quizá no puedan tratarse siquiera com o partículas individuales, y tam bién el concepto de energía parece perder su significado» (p. 5).

Pauli no estaba m enos preocupado que Bohr y Gamow, pero no quería tener nada que ver con la no conservación de la energía. En diciem bre de 1930 propuso, en una «carta abierta» a M eitner y Geiger, que el enigm a beta adem ás del p roblem a del N-14 podría resolverse in troduciendo en el núcleo una partícula neutral nueva: «[Se da] la posibilidad de que puedan existir en el núcleo partículas eléctricam ente neutras que denom inaré neutrones, con espín 1/2 y que obedecen al princip io de exclusión, y que adem ás difieren de los cuantos de luz en que no viajan a la veJocidad de la luz: la masa del n eu tró n debe ser del m ism o orden de m agnitud que la del electrón y, en cualquier caso, nunca m ayor que 0,0 ١ la m asa del p ro tón . El espectro p continuo podría entenderse entonces m ediante la suposición de que en la desintegración p se em ite un neu- tró n jun to con el electrón, de tal m anera que la sum a de las energías del electrón y el n eu tró n son constantes» (Brown 1978, p. 27j. Pauli dudó si publicar su idea que, en todo caso, era b ien conocida en la com unidad física. Sólo en 1933, en u n a discusión en


ó ق p tim o congreso de Solvay, defendió públicam ente la hipótesis, que apareció im - rresa en los anales publicados en 1934. Por aquel entonces, el «neutrón pesado» había SCO descubierto y Enrico Fermi p ropuso denom inar a la partícula de Pauli «neutrino».

mo queda claro en su carta a M eitner y Geiger, Pauli pensaba al princip io que el -eu tr in o form aba parte del núcleo y que aportaba una m asa pequeña pero no nula y : ^ b i é n u n m om ento m agnético: de acuerdo a esta im agen, el núcleo consistía en pro- : íes, electrones y neutrinos. El n eu trin o hipotético de Pauli rom pía el paradigm a de يت dos partículas y era revolucionario en este sentido ontológico. Desde un pu n to de . > :a m etodológico, en cam bio, se tra taba de una teoría conservadora, ya que toda su riz ó n de ser era preservar las leyes de conservación tan bien com probadas.

El neu trino encontró resistencia o indiferencia al principio. Entre los antagonistas estaba Bohr y, entre los defensores, Fernú. Fue sólo después de la exitosa teoría de la ; integración beta de Ferm؛¿ i en 1934 cuando el n eu trino adquirió cierto respeto, pero todavía se tra taba de u n a partícula hipotética y se suponía generalm ente que no podía ،ietectarse. En u n artículo en Nature en abril de 1934, Elans Bethe y R udolf Peierls con- cluían que «no existe prácticam ente n inguna m anera posible de detectar el neutrino». Incluso en 1936, D irac seguía rechazando al n eu trino y prefería la alternativa de la no conservación de la energía. El n eu trino desem peñó un papel no sólo en la teoría beta - n o tam bién en los in tentos de en tender fenóm enos electrom agnéticos en térm inos de teoría nuclear. En 1934 Louis de Broglie sugirió que el fo tón podría concebirse com o el par de un n eu trino y u n an tineu trino . Su idea despertó m ucho interés entre los físi- eos teóricos: duran te el periodo de 1934-1938 se desarrolló en distintas direcciones por, entre otros, Jordán, Kronig, Gregor, W entzel y Ernst Stneckelberg. Sin em bargo, los m uchos artículos sobre este tem a no consiguieron establecer conexiones con los expe- rúnentos y no condujeron a una teoría de la luz satisfactoria basada en los neutrinos. En 1940 la teoría fue prácticam ente abandonada, no porque se hubiera probado que friera falsa, sino porque quedó probado que no producía frutos.

El m odelo de Pauli de p ro t^ T -e le c tr^ -n e u tr in o era sólo uno de los varios in tentos e sp e c u la tiv o s de entender el núcleo atóm ico de u n a nueva m anera. En 1930 los físicos rusos D m itri Iwanenko y V íctor A m barzum ian sugirieron una teoría de la desintegra- ción beta basada en la nueva teoría del electrón de Dirac. Según los rusos, el electrón beta no existiría con an terio ridad en el núcleo, sino que se crearía allí ju n to con un p ro tón a p a rtir de un electrón en un estado energético negativo.

O tra hipótesis efím era más fue sugerida p o r H eisenberg más o m enos a la vez, en una carta a Bohr. M ediante la concepción del m undo com o una red (Gitterwelt) con celdas de longitud h /M c \ siendo M la m asa del p ro tón , H eisenberg argum entaba que podía in terp re tar el núcleo com o si consistiera en protones y lo que él denom inó «cuantos de luz pesados». 1.a ventaja del m odelo era que evitaba electrones nucleares y la desventaja (entre otras) que violaba la m ayor parte de las leyes de conservación, incluyendo la de la carga. «No sé si considerará este in ten to radical com pletam ente absurdo», escribió a Bohr, «pero tengo la sensación de que la física nuclear no nos va a costar m enos que esto» (Carazza y Kragh 1995, p. 597). Bohr estaba de acuerdo con


que las paradojas de la física nuclear requerían drásticos cam bios en la teoría, pero en- contró la hipótesis del m undo reticular, si no to talm ente absurda, sí dem asiado absurda. Tras ser d iscutida la idea en C openhague, H eisenberg la archivó, para re tom ar la hipótesis sobre una long itud fundam ental posterio rm en te en los años trein ta. En 1932 encon tró o tro candidato m ás aceptable para as partículas nucleares pesadas: el؛ neu trón .

Aplicaciones astrofísicas

La física nuclear, o m ejor dicho, las especulaciones nucleares, llegaron a la astrono- m ía m uy pronto . El nuevo conocim iento sobre la constitución atóm ica se utilizó en p rim er lugar en los in tentos de en tender uno de los m isterios clásicos de la física: ط p roducción de energía en el sol y en el resto de las estrellas. Ya en 7 ا9ا , A rth u r Edding- to n especulaba que ظ fuente de la energía podría ser la aniquilación de electrones y protones para producir energía de radiación. Este hipotético proceso fue m uy discutí- do en la astronom ía duran te más de una década; después de todo, aunque no existía evidencia experim ental del proceso, tam poco existían buenas razones por las que no debiera o cu rrir en el in terior de las estrellas. C om o posible alternativa, E ddington su- girió en 1920 que la energía podría provenir de ظ form ación de helio a p a rtir de cuatro átom os de hidrógeno, es decir, un proceso de fusión. «Lo que es posible en el laboratorio Cavendish podría no ser dem asiado difícil en el sol», fue su ro tundo argum ento, re- firiéndose a los recientes experim entos nucleares de Rutherford. E ddington sabía que de acuerdo a las m edidas de espectrografía de masas de Aston, la m asa del núcleo de helio era casi del 1 p o r 00؛ m enor que la de cuatro núcleos de hidrógeno, y que la reac- ción de form ación estaría po r tan to acom pañada de una considerable producción de energía. M illikan era o tro científico que aplicó la nueva física nuclear en su trabajo as- trofísico, aunque en este caso su objetivo no era la energía estelar sino la radiación CÓS-

mica. En una serie de trabajos entre ل92ة y 1930, el experim ental estadounidense argum entó que los rayos cósm icos consistían en bandas diferenciadas de fotones con altas energías que se orig inaban en procesos de construcción nuclear en las profundidades del universo. Los rayos eran, según lo expresado po r M illikan, «los gritos de los elem entos al nacer» o «las señales enviadas a través del éter anunciando la continua creación de elem entos m ás pesados a p artir de los más ligeros» (Kragh 1996b, p. 147). Según M illikan, los procesos cósm icos de construcción atóm ica no tenían lugar paso a paso, sino en un único acto, en el cual se form aban elem entos pesados d irectam ente a p artir de protones, electrones y partículas alfa. Esto podría parecer fantástico, pero era apenas más fantástico que la propuesta alternativa de James Jeans: que Jas estrellas con- sistían sobre todo en elem entos transuránicos que se transform arían espontáneam ente en radiación. Jeans sugirió que la transform ación no ocurriría solam ente m ediante una desintegración radiactiva ordinaria, sino tam bién m ediante la aniquilación de nú- cíeos atóm icos enteros. Se sabía m uy poco de procesos nucleares cósm icos en Jos años veinte, y la falta de conocim iento experim ental provocó especulaciones.


Con la teoría m ecánico-cuántica de G am ow de la de$؛ntegración alfa, em pezó un capítulo nuevo, m enos especulativo, en la astrofísica nuclear. El físico austríaco Frítz H outerm ans y el astrofísico británico Robert d ’Escourt A tkinson se encontraban rea- i izando trabajos posdoctorales en Alemania. Se dieron cuenta de que el proceso de tu - nelación de G am ow se podría invertir y de esta m anera quizá explicar la creación de elem entos m ediante reacciones nucleares. En 1929 los cálculos indicaron que la pro- habilidad de que las partículas alfa penetraran incluso en un núcleo ligero era despreciable bajo las condiciones que se suponía que existían en el in terio r de las estrellas. Se encontró que las reacciones pro tón-núcleo eran más proúietedoras y H outerm an y At- kinson, en colaboración con Gamow, derivaron una expresión general que relacionaba la sección eficaz de cap tura con la tem peratu ra y el núm ero atóm ico del núcleo penetrado. La teoría sugería que la fúente de la energía estelar podría ser la trasm utación de cuatro protones en una partícula alfa; es decir, el proceso que E ddington había sugerido originalm ente. Según H outerm an y A tkinson, sin em bargo, el proceso no era la im probable colisión de cuatro partículas de Eddington, sino la captura consecutiva de protones p o r u n núcleo ligero y la expulsión subsiguiente de una partícula alfa, y m íen- tras que la sugerencia de E ddington no se basaba en n inguna teoría física, la teoría H outerm an-A tkinson era cuantitativa y se basaba en el m ás reciente desarrollo en m e- cánica cuántica. La teoría se cuenta entre las contribuciones pioneras a la astrofísica m oderna, pero al princip io recibió poca atención.

La teoría de H outerm an y A tkinson presuponía que el hidrógeno existía abundan- tem ente en las estrellas, una suposición que ganó aceptación general entre los astró- nom os solam ente alrededor de 1930. Con el nuevo conocim iento del papel predom i- nante del h idrógeno en las estrellas, A tkinson, que m ientras tam o se había m udado a los Estados Unidos, p roporcionó una versión m uy expandida de la teoría en 1931. Sin los todavía desconocidos neutrones y deuterones, el helio no se podía constru ir directam ente a p artir de los protones, pero A tkinson diseñó un m odelo cíclico en el cual el helio se form aba a partir de la desintegración de núcleos inestables. De este m odo, in- tem ó explicar la abundancia de toda la gama de elem entos a p a rtir de procesos de cap- tu ra de protones. Sin em bargo, fúe sólo después de 1932, y especialm ente tras la in tro- ducción del neu trón , cuando la astrofísica nuclear em pezó a proporc ionar resultados realm ente prom etedores. A tkinson, Gamow, bethe y T. E. Sterne en los Estados Unidos, H arold Walke en Inglaterra, y Von Weizsacker, Ladislaus Farkas y Paul H arteck en Ale- m anía estaban entre los pioneros de ظ astrofísica nuclear en los años trein ta. Es carac- terístico que los cuatro estadounidenses provinieran originalm ente de Europa: Atkin- son y Sterne de Inglaterra, Gam ow de Rusia y Bethe de Alemania. La idea de que la form ación estelar de los elem entos se debía basar en la captura de neutrones se desa- rrolló independien tem ente p o r Walcke y G am ow en 1935. Los dos físicos se inspiraron en experim entos de laboratorio de la época, com o los de Perm i en Roma y Cockcroft y W alton en C am bridge. Walke expresó la analogía entre procesos estelares y de labora to rio de esta m anera: «El físico atóm ico, con sus fuentes de elevado potencial y sus tubos de descarga, está sintetizando elem entos de la m ism a m anera que ocurre en los


interiores estelares, y los procesos observados, que resultan en la liberación de tan gran cantidad de energía ،leí orden de millones de voltios indican cóm o se m antiene la intcn- sa radiación de la estrellas y po r qué sus tem peraturas son tan altas» (Kragh 996 اb, p. 92).

Las prim eras ideas sobre procesos nucleares inducidos p o r neutrones no produjeron una explicación satisfactoria ni de la form ación de los elem entos ni de la produc- ción de energía estelar. La im portan te clave en lo que concierne al segundo problem a se encontró en 1938 y fue sobre todo un resultado de progreso en teoría nuclear. Hans Betbe, u n antiguo estudiante de Som m erfeld y u n experto en física cuántica y nuclear, había hu ido de Alem ania en 1933 y se había asentado en la Universidad de Cornell. En 1938 participó en u n a conferencia sobre «Problem as de las ftrentes de energía estelar» en W ashington, D. C., a la que acudieron tan to astrónom os com o físicos nucleares. A unque no poseía conocim iento previo de astrofísica, Bethe utilizó su soberbio conocim iento de física nuclear para diseñar una teoría detallada de la producción de ener- gía solar, que fue p ron to reconocida com o la cim entación de todo el trabajo posterior en el área. Una teoría m enos detallada siguiendo las m ism as líneas fue propuesta por Von Weizsácker en 1938. La esencia de la teoría de Bethe era que cuatro protones se fu- sionaban en un núcleo de helio a través de u n proceso cíclico, en el cual los núcleos de carbono actuaban com o catalizadores. Al contrario que o tras teorías anteriores, se basaba en detallados cálculos suplidos con valores de secciones determ inadas experi-

Los cálculos de física nuclear realizados p o r Bethe llegaban a la conclu- sión de que, para p roporc ionar la energía p roducida po r el sol, el ciclo requeriría una tem pera tu ra central de 18,5 m illones de grados Kelvin, un valor en excelente acuerdo con el que se calculaba m ediante m odelos astrofísicos del sol. La teoría de Bethe fue m uy aplaudida tan to p o r astrónom os com o p o r físicos. El com ité del Nobel de ?؛sica en Estocolm o tardó algo más en reconocer su valor: veintiocho años, para ser exactos.

1932, annus mirabilisEn 1932, el n eu tró n era una partícula bien conocida, pero ausente. La literatura fí-

sica de 1929-1931 contiene una docena de referencias o más al neu trón , pero se trataban todas de com puestos electrón-pro tón en el sentido de Rutherford. El n eu tró n verdadero se encontraría en la prim avera de 1932 y aproxim adam ente u n año m ás tarde se reconoció su carácter de partícu la elem ental. La serie de sucesos que conducirían al celebrado descubrim iento de Chadwick, p o r el cual conseguiría el prem io N obel tan sólo tres años m ás tarde, com enzó con experim entos en los años tre in ta realizados por W alther Bothe y ؛derbert Becker en el Physikalisch-Technische Reichsanstalt en Berlín. Los dos físicos encon traron que el berilio expuesto a partículas alfa producía lo que ellos pensaban que eran rayos gam m a energéticos. En París, Iréne C urie y Frédéric lo- liot exam inaron la «radiación del berilio» e in fo rm aron a principios de 1932 de que esta radiación podía arrancar protones de parafina enriquecida con hidrógeno. Pensa- ron que el m ecanism o podía ser algún tipo de efecto C om pton. Al o tro lado del Canai de la M ancha, en C am bridge, Chadw ick era de o tro parecer. El n eu tró n de Rutherford


ra cual fuera el correcto, el n eu trón seguía siendo una partícula útil, ya que, com o Chadwick explicó a los participantes del Solvay, se podía utilizar com o proyectil en procesos nucleares. C om o ejem plo, inform ó de que había observado cóm o partículas alfa provenientes de neutrones reaccionaban con oxígeno según el proceso 1n + 16o —> 13c + ^He. Lo que convenció a los físicos de la naturaleza elem ental del n eu trón fueron, en parte, los nuevos desarrollos en teoría nuclear y, en parte, m edidas m ás precisas de la m asa del neu trón . Chadwick había obten ido originalm ente una m asa del neu- tró n que era 0067, ا veces la del pro tón; es decir, algo m enos que la m asa de un p ro tón más la de un electrón (1,0078). Experim entos posteriores parecían confirm ar que ha- ría falta energía para dividir un n eu trón en sus constituyentes y que la partícula era por tan to un sistem a ligado p ro tón-electrón . Sin em bargo, nuevas y más precisas m edidas m ostraron que la masa del neu trón era un poco más grande que la del sistema protón- electrón. Esto se consideraba un hecho establecido en octubre de 1934, cuando se con- gregó un grupo de físicos en una conferencia sobre núcleos y rayos cósmicos en Londres. Q uedó entonces claro que el neu trón era inestable y debía de caer espontáneam ente en u n p ro tón y un electrón, una sugerencia propuesta po r prim era vez p o r Chadwick y M aurice G oldhaber en 1935. Tras esta fecha, se dejó de d iscutir sobre el n eu trón com- puesto y se excluyó finalm ente a los electrones del núcleo. La desintegración del neu- trón , sin em bargo, tardó m ucho en observarse. Esto requería fuentes intensas de neutrones producidas por reactores nucleares y se com unicó p o r prim era vez en 1948, por A. H. Snell y sus colaboradores en O ak Ridge. D os años después, ١. N1. Robson deter- m inó en el reactor Chalk R؛ver en C anadá que la vida m edia del n eu trón era aprox؛- m adam ente de 13 m inutos.

El n eu tró n era quizá el actor m ás dram ático en lo que se denom ina '' te el annus mirabilis de la física nuclear y de partículas, 1932, aunque sería más apropiado hablar de los anni mirabiles 1931-1933. Pero no era el único actor, ni el prim e- ro. A finales de diciem bre de 1931, H arold Urey, u n quím ico de la Universidad de Colum bia que había pasado un año con Bohr en Copenhague en 1923-1924, anunció el descubrim iento del deuterio . Junto con sus colaboradores, Ferdinand Brickwedde y Ceorge M urphy, Urey aisló el isótopo pesado del h idrógeno evaporando cuatro litros de h idrógeno líquido. Identificaron el isótopo e ^ c tro g rá f ic a m e n te m ediante el pe- queño cam bio en longitud de onda causado p o r el núcleo más pesado. La posterior preparación de agua pesada en 1933 fue llevada a cabo p o r o tro quím ico estadoun؛- dense, C ilbert Lewis. P ronto quedó claro que los núcleos del isótopo pesado, artificial- m ente acelerados, eran ideales com o proyectiles en reacciones nucleares. D urante ün tiem po, se utilizó una confusa variedad de nom bres para las partículas (entre ellos, di- p ro tón , deu tón y d ip ión), pero al final el nom bre de Urey, «deuterón», ganó acepta- ción, ju n to con deuterio para el á tom o correspondiente. (El nom bre «protio» para el isótopo corriente de h idrógeno nunca llegó a ser popular.) O tro desarrollo m uy im- po rtan te a principios de los años trein ta.fue el descubrim iento de ط radiactividad artificial, a principio de 1934 p o r los Joliot-Curie en conexión con la irradiación de alu- m inio con partículas alfa. Los dos científicos franceses detectaron la producción de los

Ei surgimiento de la física nuclear 179

: xiavía seguía vivo en el Cavendish y Chadw ick se dio cuenta de que podría explicar ئ radiación del berilio. ?٠٢ tan to , repitió y m odificó los experim entos de ?arís, y llegó tapidam ente a la conclusión de que lo que se producía eran neutrones, no rayos gamma. Según Chadwick, el proceso era 4He + 9Be —> 12c + n, significando el sím bolo n u n neu trón con núm ero m ásico 1. En su no ta sobre «Possible Existence o f a N eutrón», Chadwick discutía la posibilidad de que los efectos observados se debieran a u n «cuan- to de alta energía» en vez de a un neu trón . «Hasta el presente», concluía, «toda la evidencia está a favor del neu trón , m ientras que ط hipótesis cuántica sólo se puede m antener si se sacrifica la conservación de energía y m om ento en alguna etapa». Chadwick tam bién encontró electrones al bom bardear boro con partículas alfa y, a p a rtir de este proceso, infirió que la m asa del n eu tró n debía estar cercana a 1,007 veces la masa del protón.

Ahora que el n eu trón había sido descubierto, podría pensarse que no existía ninguna necesidad de tener electrones en el núcleo y que todo iba bien en el núcleo ató- mico, pero la situación era m uy distin ta en 1932. Chadw ick in terpretó su neu trón com o el com puesto p ro tón-electrón de R utherford tan esperado, y supuso que «el pro- fon y el electrón form an u n pequeño dipolo, o tam bién podem os considerar la im agen más atractiva de u n p ro tó n inm erso en u n electrón». Acerca de la posibilidad de que el neu trón pudiera ser elem ental, Chadw ick com entó que «[esta idea] cuenta con pocas recom endaciones en este m om ento , excepto la posibilidad de explicar la estadística de núcleos com o el N ؛٠ » (Beyer 1949, pp. 15 y 19). D urante m ucho tiem po Chadwick, y la mayoría de los otros físicos, dudaron en adm itir que el n eu tró n era elem ental. El pri- m ero en p roponer que el n eu tró n era una p rim era partícula elem ental con espín un m edio fue el físico de Leningrado D m itri íwanenko. En el verano de 1932, Iwanenko enfatizó que la propuesta resolvería el enigm a del n itrógeno 14. Sin em bargo pasó un año hasta que la m ayoría de los físicos, que llevaban tan to tiem po acostum brados al paradigm a de las dos partículas, aceptaran la naturaleza elem ental del neu trón . Esta am bigua actitud quedaba claram ente expuesta en la im portan te teoría de Heisenberg para la estructura nuclear de 1932-!933, en la cual in trodu jo fuerzas de intercam bio entre p ro tones y neutrones y tra tó al núcleo de una m anera m ecánico-cuántica. A pesar de considerar que los constituyentes del núcleo eran protones y neutrones, al p rincipio Heisenberg hizo uso de los electrones nucleares y tra tó el neu trón com o un com- puesto protón-electrón. Las partículas elementales seguían siendo protones y electrones. La teoría de estructura nuclear de Heisenberg señaló el inicio de un nuevo capítulo de la teoría nuclear, o, m ejor dicho, del princip io del cam po com o tal y fue rápidam ente continuado po r im portan tes contribuciones de Eugene W igner, Ettore M ajorana, y otros.

D uran te el congreso de Solvay de 1933 sobre «Estructura y propiedades de los nú- cíeos atóm icos», el n eu tró n tuvo un papel protagonista. D irac sugirió que el núcleo estaba com puesto de tres tipos de partículas: protones, neu trones y electrones y la sugerencia no se consideró particu larm ente extraña en ese m om ento. Chadw ick todavía vacilaba entre los dos pun tos de vista, el del n eu tró n com plejo y el del eletnental. Fue-

El surgimiento de la física nuclear ل8ل

recién descubiertos positrones, ؛os cuales identificaron al princip io com o productos de la descom posición de los protones em itidos, es decir, م —> n + e+. Sin em bargo, pron- to se dieron cuenta de que la actividad de los positrones proseguía después de que se retirara la fuente alfa y de que, de hecho, habían descubierto radiactividad beta positiva: 4He + 27Al —> ١٠? +1 tí, seguida de 30p آ؛؛- <— Si + e+. La im portancia del descubrí- m iento de radiactividad artificial fue' inm ediatam ente reconocida y supuso el prem io Nobel de Q uím ica para los Joliot-Curie en 1935. El nuevo fenóm eno se utilizó am plia e inm ediatam ente en física nuclear, quím ica, biología y m edicina.

Los años 3 ل932-ل9ق frieron realm ente excitantes, no sólo en retrospectiva, sino tam bién para los físicos que vivieron la época. En mayo de 1932, Bohr escribió a Ru- therford , «el progreso en el cam po de la constitución nuclear es en este m om ento tan rápido, que uno se p regunta qué traerá el correo nuevo [...] U no ve ab ierta una am plia avenida nueva, y debería ser p ron to capaz de predecir el com portam ien to de cualquier núcleo en cualquier circunstancia dada» (W einer 1972, p. 41). Dos años y m edio des- pués, Frank Spedding, un físico estadounidense, inform ó en una carta sobre la conferencia de Londres, «tam bién hubo un sim posio de física nuclear. El cam po se m ueve tan rápido que uno se m area al contem plarlo. C on lo que se habla de las propiedades experim entales del H, He, los nuevos elem entos artificiales radiactivos, el n eu trón y el positrón y las propiedades que se predicen para el n eu trino y el p ro tón de carga negativa, alguien que se ha form ado con la vieja e ingenua im agen de protones y electrones en el núcleo se siente superado» ( ibid .).

Estas fascinantes nuevas teorías y descubrim ientos eran sólo una parte de los años milagrosos. Las nuevas tecnologías instrum entales no eran m enos im portantes: hasta 1930, aproxim adam ente, el único m odo de hacer que ocurriera una reacción nuclear era utilizar los proyectiles que la naturaleza proporcionaba en form a de rayos alfa; la alternativa era hacer uso de la todavía m enos controlable radiación cósmica, pero este m éto- do todavía estaba en su infancia. La prim era desintegración nuclear provocada con éxí- to por m edios puram ente artificiales se obtuvo en la prim avera de 1932 por John D. Cockcroft y Ernest W alton en el laboratorio Cavendish. Los dos físicos aplicaron u n sistem a m ultiplicador de tensión, proporcionado en parte por la Com pañía Eléctrica Me- tro^ litan -V ickers, donde Cockcroft había trabajado com o aprendiz de ingeniero eléc- trico antes de que se cam biara a la física y se incorporara al grupo de Rutherford en 1924. Con este aparato, obtuvieron energias de hasta 380 keV para los protones en 1929 y, tres años después, 700 keV. Cockcroft y W alton estudiaron el litio bom bardeado con protones de alta energía y, utilizando m étodos visuales de escintílacíones y fotografías de la cá- m ara de niebla com o detectores, concluyeron que «el isótopo de litio de masa 7 captura un p ro tón y el núcleo resultante, de masa 8, se descom pone en dos partículas a» (Beyer 1949, p. 30). Además, señalaron que el proceso ocurría para energías y ritm os en acuerdo c u a lita tiv o con los cálculos m ecánico-cuánticos de Camow. De hecho, estos cálculos se utilizaron directam ente en el diseño del aparato de alta tensión de Cockcroft. Éste CO- nocía la teoría de Gam ow y se dio cuenta de que predecía que los protones a 300 keV se- rían proyectiles nucleares bastante efectivos para partículas com o el boro y el litio.


Al m ism o tiem po aproxim adam ente que Cockcroft y W alton desarrollaban su trabajo experim ental pionero, otros tipos de aceleradores estaban progresando en Estados Unidos. En 1931 el ingeniero estadounidense Robert van de construyó un acelerado r electrostático con una tensión m áxim a de 1,5 millones de voltios. El m ism o año, Er- nest Lawrence y su estudiante David Sloan en la Universidad de California, Berkeley, construyeron el prim er acelerador lineal práctico, con el que obtuvieron iones de m ercurio con 1,3 MeV de energía. Sin embargo, sería o tra de las m áquinas de Lawrence la que revolucionó ظ física nuclear e inauguró la era de la «gran ciencia». El p rim er ciclo- trón experim ental, utilizando fuertes cam pos magnéticos para hacer que las partículas nucleares trazaran una espiral con radio creciente según sus velocidades aum entaban, se construyó en 1931. La versión de 1932, con polos magnéticos en las caras de 28 centime- tros de diámetro, produjo una corriente de 10-9 amperios con protones de 1,2 MeV. Law- rence y su colaborador, M. Stanley Livingston, predijeron confiados que se generarían haces de protones de 10 MeV «en un ftrturo no m uy lejano», una predicción que sería p ron to confirm ada. Al principio la m áquina no recibió u n nom bre propio, pero Law- rence y su grupo usaban la palabra «ciclotrón» en lo que describían com o «una especie de jerga de laboratorio». En 1936, el nom bre era de uso general. El ciclotrón probó ser m uy útil en física nuclear en una gran variedad de áreas, desde investigación pura de reacciones nucleares hasta en aplicaciones industriales y médicas. Se trataba básicamen- te de tecnología estadounidense y, en los años treinta, sólo era dom inada por Lawrence y los operadores de ciclotrón form ados por él. En 1934 se em pezaron a m ultiplicar las m áquinas en Estados Unidos, al principio con un pequeño ciclotrón en la Universidad de Cornell construido por Livingston; cinco años más tarde, había diez m áquinas más operando o en construcción. Fuera de los Estados Unidos, el prim er ciclotrón se instaló en Riken (el Instituto para Investigación Física y Quím íca) en Tokio en 1935 y se hizo operativo en la prim avera de 1937. En Europa, los ciclotrones se in trodujeron al m ism o tiem po aproxim adam ente, pero de m anera más dubitativa que en Estados Unidos. El di- ñero era una de las razones de la introducción relativamente lenta, pero el conservadu- ris in o y la falta de fam iliaridad con la nueva tecnología tam bién desem peñó un papel im- portante. A m ediados de 1939 existían cinco ciclotrones operando en Europa, situados en Cam bridge, Liverpool, París, Estocolmo y Copenhague.

La física experim ental nuclear en general, y la de aceleradores en particular, ayudó a cam biar la d istribución geográfica de la física m undial. Vale la pena m encionar que la foerte com unidad física alem ana no se uniera a la vanguardia del desarrollo sino que, po r el contrario , quedara por detrás del desarrollo no sólo de Estados U nidos y G ran Bretaña, sino tam bién del de Francia. Y tam bién es notable que esto ocurriera incluso antes de que el régim en nazi cam biara las condiciones de la física en Alemania, y en una época en la que los físicos alem anes todavía estaban a la cabeza de otras áreas de la física.

A p artir de 1910, aproxim adam ente, Francia no había conseguido m antener su po- sición an terio r a la cabeza de la física. C om parado con lo que ocurrió en o tras nació- nes, los físicos franceses tenían poco de qué presum ir: po r ejem plo, las revistas france-


ممن no estaban entre las principales revistas de física. En 1934 las revista francesa más citada, Comptes Rendus, ocupaba el núm ero 7 de todas las revistas de física (el núm e- ro uno era Zeitschrift fü r Physik); Journal de Physique era el núm ero 11 y Anuales de Physique era sólo el núm ero 34 de la lista. O tro indicativo de ط baja reputación de la física francesa era que, m ientras que el 27 p o r 100 de todas las referencias en las revistas de física norteam ericanas se dedicaban a artículos en alem án, sólo el 3 po r 100 se referían a artículos en francés. El surgim iento de la física nuclear, en cam bio, fi؛e uno de los factores que ayudaron a revitalizar la física francesa a finales de la década de los tre in ta y re instaurar a París com o una ciudad im portan te en ظ física m undial. El labora torío de los jo l؛o t-(]u r؟؛ se convirtió en uno de los principales centros de física nu- ،:lear, atrayendo a m uchos físicos extranjeros.

A pesar del im portan te trabajo llevado a cabo en G ran Bretaña y Francia, fue en Es- tados U nidos donde se experim entó p o r prim era vez su notable crecim iento. El porcentaje de artículos sobre física nuclear en Physical Review era de u n 8 p o r 100 en 1932; en 1933 se increm entó al 18 p o r 100, en 1935 al 22 y en 1937 nada m enos que al 32 po r 100. La física nuclear estaba no sólo creciendo, sino tam bién haciéndose cada vez más cara. Para estar en la vanguardia de la investigación nuclear, m uchas veces era necesa- ría ط financiación externa, com o queda ilustrado p o r el hecho de que el 46 po r 100 del núm ero total de artículos financiados en Physical Review en 1935 eran de física nuclear. En 1939, un tercio de los artículos en Physical Review sobre física nuclear recibían fi- nanciación de instituciones externas.

C A P ÍTU LO 13

De dos partículas a muchas antipartículas

Las antipartículas

En el encuentro de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en Bristol, en septiem bre de 1930, D irac dio un sem inario en el que dijo, «siempre ha sido el sueño de los filósofos hacer que toda la m ateria esté constru ida a partir de un tipo funda- m ental de partícula, así que no es del todo satisfactorio tener dos en nuestra teoría, el electrón y el protón» (Kragh 1990, p. 97). Por aquel entonces, D irac creía que había te- n ido éxito donde los filósofos habían fracasado y que había reducido toda 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 hom son y, m ás generalm ente, la co$movisión ' ca.) D irac estaba p ro fundam ente fascinado po r la im agen un itaria de la m ateria, y resulta irónico que sus consideraciones unitarias le llevaran a in troducir, m enos de un año después del sem inario en Bristol, tres o cuatro nuevas partículas elem entales ade- más del electrón. C on ظ teoría de D irac de 1931 y la hipótesis de Pauli sobre el neu trino, llegó la prim era ru p tu ra con el paradigm a de las dos partículas.

Estaba claro para D irac y varios de sus colegas que la teoría relativista de electrones de 928ل conducía a extrañas consecuencias. El problem a, a veces denom inado la «difi- cuitad ±», tenía su origen en la ecuación de Dirac, que incluía form alm ente soluciones con energía negativa. Al contrario de la situación en m ecánica clásica, éstas no se po- dían rechazar com o no físicas sino que tenían que considerarse seriam ente; es decir, te- n ían que relacionarse de algún m odo con objetos naturales. En noviem bre de 1929, Di- rae creía haber encontrado la solución al problem a. «Existe u n a sencilla m anera de evitar la dificultad de que los electrones tengan energía cinética negativa», escribió a Bohr y, continuó, «si el electrón arranca con una energía positiva (+), existirá una pro- habilidad finita de que pase súbitam ente a u n estado de energía negativa ( - ) y em ita ظ energía sóbram e en form a de radiación de alta energía [...] Si todos los estados de ener- gía negativa están ocupados, pero pocos de energía positiva lo están, estos electrones

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de energía p©s؛t va no podrán؛ hacer tran$iciones hacia estados de energía negativa y, ٣٢ tan to , deberán com portarse con bastante propiedad [...] Parece razonable suponer que no todos los estados de energía negativa están ocupados, sino que existen algunas vacantes o “huecos” [...] Es fácil ver que tal hueco se m overía en un cam po electro- m agnético com o si tuviera carga positiva. Creo que estos huecos son los protones» Kragh 1990, p. 91).

La teoría de D irac sobre los protones-com o-electrones, publicada en 1930, suponía un m undo de estados de energía negativa ocupado po r un núm ero infinito de electrones gobernados p o r el princip io de exclusión de Pauli. Sólo los pocos estados sin ocupar, los «huecos», aparecerían com o entidades físicas observables. Pero ¿por qué apa- recerían com o protones, dos mil veces más pesados que los electrones? Existían dos razones para la elección de Dirac: por un lado, si los p ro tones y los electrones eran las únicas partículas elem entales (com o creían entonces casi todos los físicos) parecía que no había o tra posibilidad; po r o tro lado, la hipótesis habría supuesto el cum plim iento del m ilenario, y m uy atractivo para Dirac, «sueño de los filósofos».

Atractiva o no, la hipótesis se recibió universalm ente con escepticismo, e ¡nm ediatam ente se encontró con serios problem as. Por ejemplo, si el p ro tón fuera la an tipartí- cula del electrón (un nom bre que todavía no se había in troducido), se suponía que se aniquilaría según p + + e~ —> 2y, y los cálculos indicaban que la vida m edia de la m ateria sería, en tal caso, absurdam ente corta, de unos 10 ~9 segundos. Este argum ento po r sí solo no fue suficiente para convencer a D irac de que su teoría era errónea, pero en la prim avera de 1931 se dio cuenta (com o otros antes) que el hueco tenía que tener la m ism a m asa que el electrón. En la nueva versión, com o apareció en u n notable artícu- lo en los Proceedirigs o fth e Royal Society, el anticlectrón se in troducía p o r prim era vez com o «un nuevo tipo de partícula, desconocida para la física ' con la mis-m a m asa que un electrón y carga opuesta» (Kragh 1990, p. 103). Además, dado que el p ro tón era ahora un tipo diferente de partícula, tendría probablem ente, según Dirac, su propia antipartícula. Unos pocos años después, en su discurso N obel de 1933, D irac dio un paso más, especulando sobre m ateria com puesta enteram ente de an tipartícu- las: «Debemos considerar básicam ente un accidente que la Tierra (y, es de suponer, todo el sistem a solar) contenga una preponderancia de electrones negativos y protones positivos. Es bastante probable que para algunas estrellas sea al revés: que estas estre- lias estén com puestas principalm ente de positrones y protones negativos. De hecho, puede que la m itad de las estrellas sea de un tipo, y la o tra m itad del otro. Los dos tipos de estrella m ostrarían exactam ente los m ism os espectros, y no habría m anera de distinguirlas m ediante los m étodos astronóm icos actuales». Sin em bargo, en 1931 el antielectrón era una partícula puram ente h ipotética y la m ayoría de los físicos decli- naban tom ar la teoría de D irac en serío. Fue sólo más adelante cuando se reconoció com o «quizá el salto m ás grande de todos los grandes saltos de la física en nuestro siglo», com o Heisenberg la denom inó con generosidad en 1973.

El artículo de Dirac de 1931 no tra taba principalm ente con antielectrones, sino que era un ambicioso, y fallido, intento de explicar la razón de la existencia de una carga


eléctrica unidad. D urante el proceso de su trabajo, Dirac se vio llevado a in troducir un factor de fase no integrable en la función de onda; m ostró que esto era equivalente a in- troducir u n cam po m agnético con una carga m agnética com o fuente; es decir, u n m o- nopolo m agnético com o un análogo m agnético del electrón. Este m onopoio de Dirac era una partícula hipotética, justificada sólo en el sentido que no estaba prohibida por la m ecánica cuántica. D irac se dio cuenta de que esto no aseguraba la existencia real de m onopolos en la naturaleza, pero dado que no había razón teórica para p rohib ir la exís- tencia de m onopolos, «uno se sorprendería si la Naturaleza no la hubiera utilizado [la posibilidad]». En ظ h istoria de las ideas, este tipo de argum ento (que las entidades que pueden existir deben existir) se rem onta a Leibniz, y se conoce com o el principio de pie- n itud. Ai contrario que el positrón, el m onopolo m agnético no despertó interés entre los físicos, ظ mayoría de los cuales ignoraron la partícula propuesta. Existían, sin embargo, algunas especulaciones de que el neu trón podría consistir en dos polos magnéti- eos de carga opuesta, o de que el m onopolo podría desem peñar si no u n papel en el nú- cleo atómico. Fue sólo en los años setenta cuando la teoría de m onopolos, adem ás de búsquedas experim entales de la partícula, se convirtió en u n área principal de investi- gación. Desde entonces, ha habido varios anuncios de detecciones de m onopolos mag- néticos, pero ninguno se ha confirm ado. Puede que los m onopolos existan, o que hayan existido alguna vez, pero el m onopolo m agnético de finales de los noventa tiene el mis- m o estatus que el que tenía en 1931: es hipotético (véase tam bién el capítulo 21).

El estatus del antielectrón, por o tra parte, cam bió duran te el bienio 1932-1933. En el California Institute o f Technology, Cari A nderson, un antiguo estudiante de Milli- kan, se fijó en algunas trazas de fotografías de cám ara de niebla de la radiación cósmi- ca, que al princip io atribuyó a protones. En u n artículo posterior en m arzo de 1933, sugirió que había descubierto un electrón de carga positiva, o «positrón», com o él lo denom inó . Tam bién sugirió «negatrón» para el electrón ordinario , pero el nom bre, aunque se usó alguna vez, no gozó de éxito. La detección de los positrones p o r parte de A nderson pod ría parecer un bon ito caso de descubrim iento inspirado p o r la teoría, pero el descubrim iento en realidad no debe nada en absoluto a la teoría de Dirac. En lugar de in terp retar el electrón positivo com o el resultado de u n a producción de un par, a la D irac, A nderson creía que se había em itido desde un núcleo atóm ico dividido po r u n rayo fo tón cósmico incidente. Su explicación tentativa no se refería ni a Dirac ni a la m ecánica cuántica; tenía un aire anticuado y se basaba en un concepto visible del núcleo que estaba de acuerdo con las ideas de M illikan, pero que no tenía casi nada que ver con los sofisticados m odelos cuánticos que Fíeisenberg y otros estaban estableciendo p o r aquel entonces. A nderson escribió, «Si retenem os la im agen de que un núcleo consiste en protones y neutrones (y partículas a ) y que u n n eu tró n representa una com binación cercana de un p ro tón y un electrón, entonces, basándose en la teo- ría electrom agnética sobre el origen de la masa, la suposición m ás sim ple parece ser que un encuentro entre el rayo p rim ario incidente y u n p ro tó n puede tener lugar de m anera que el d iám etro del p ro tón se expanda hasta el m ism o valor que posee el ne- gatrón» (Beyer 1949, p. 4).


N ٠ fue sin© hasta después de que Bl؛،ckett y el físico italiano Guiseppe Occhialini inform aran sobre nuevos experim entos con rayos cósráicos, y se refirieran explícita- m ente a la teoría de Dirac, cuando quedó claro que A nd€rson de hecho había descu- b ierto la partícula de Dirac. En u n año, el positrón se había aceptado en general y ha- bía sido recibida com o una im portan te partícula, tan to en ط teoría com o en la experim entación. Sin em bargo, la positiva recepción del positrón no im plicó una re- cepción igualm ente positiva de la teoría de huecos de Dirac, que continuó siendo criticada. Todavía en 1934, M illikan y A nderson se aferraban a la im agen de que los positrones de los rayos cósm icos existían ya, o se form aban en los núcleos atóm icos, y por lo tan to no debían identificarse con antielectrones. Algunos teóricos, incluyendo a ?auli, sugirieron que los positrones pod ían satisfacer la estadística de ftose-Einstein y que el neu trino , que se pensaba que podría quizá ser una partícula nuclear, consistía en un par positrón-electrón. M ientras que el positrón (alias, antielectrón) se aceptó a m e- diados de los trein ta, otras hipótesis sobre antipartículas tuv ieron una existencia más silenciosa. El p ro tó n negativo se discutió a veces, pero no necesariam ente com o la an- tipartícula del p ro tón , ?o r ejem plo, G am ow sugirió en varios artículos entre 1934 y 1937 que el núcleo atóm ico incluía protones negativos distintos de los antipro tones de Dirac. En cuanto al an fineu trón , se in trodu jo p o r prim era vez en 1935 p o r el físico italiano (m ás tarde brasileño) Gleb W ataghin.

Sorpresas de la radiación cósmica

En la época en la que D irac p ropuso su teoría de huecos, la radiación cósm ica to- davía se consideraba un área m isteriosa de la naturaleza, y su com posición era objeto de controversia. Algunas de las partículas de los rayos cósmicos poseían energías m uy elevadas (m ucho mayores que las que podían proporc ionar los nuevos aceleradores) y po r esta razón, la radiación era interesante para los físicos nucleares y de partículas. La física de rayos cósm icos era altam ente relevante para las teorías fundam entales de la fí- sica y a la vez, con sus vuelos en globo y alpinism o, todavía tenía algo del encanto de las exploraciones naturales. C om o escribió el físico estadounidense Karl D arrow en 1932, el nuevo cam po era «único en la física m oderna po r lo m inúsculo de los fenó- m enos, lo delicado de las observaciones, las arriesgadas aventuras de los observadores, la sutileza del análisis y la grandeza de las consecuencias» (Cassidy 1981, p. 2). El descubrim iento del positrón ft:e crucial a la ho ra de hacer de la investigación de los rayos cósmicos un cam po central de la física. Esto puede observarse, p o r ejemplo, en el nú- m ero de artículos (incluyendo cartas) publicadas sobre el asunto en Physical Review. En 1928 aparecieron dos artículos sobre rayos cósmicos, y en 1929 sólo uno; en 1930 el núm ero subió a 4, y e n 1931 a 9. El año siguiente el núm ero saltó a 30 artículos, y en 1933 había nada m enos que 43 artículos sobre rayos cósm icos o el positrón.

La radiación cósmica tenía fama de laboratorio económ ico porque la naturaleza proporcionaba gratuitam ente partículas con energías inauditas en laboratorios auténticos. La desventaja, po r supuesto, era que los proyectiles eran totalm ente incontrolables y, en


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 cósmicos de los años treinta y los experim entos clási- eos de bajo coste del Cavendish en los años veinte. Rutherford no hubiera objetado la in- vestigación de rayos cósmicos. En 1933 labez Street, u n prom inente físico de rayos cósmicos estadounidense y más tarde codescubridor del m uón, solicitó a Theodore ly - m an, su director en H arvard, una beca de 800 dólares para una investigación de un año. La solicitud consistía en una página escrita a m ano, sosteniendo que «el carácter discor- dante de los resultados obtenidos po r los profesores C om pton y Millikan deja claro que la acum ulación de datos sobre la naturaleza de los rayos cósm icos deja m ucho que de- sear» ( ( .alison 1987, p. 78). Street recibió sus 800 dólares y los empleó con sabiduría؛

Para en tender lo que sucedía en los detectores de rayos cósmicos, estuvieran a bor- do de un globo o situados en altos picos m ontañosos, los físicos necesitaban conocer la naturaleza de los rayos cósm icos m ism os. M illikan, y con él sus estudiantes, todavía abogaban po r la teoría original, según la cual los rayos cósm icos prim arios eran fotones de alta energía. Esto im plicaba que no debería existir n in g ú n efecto geom agné- tico de la titu d , es decir, n inguna 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 encon traron evidencia en absoluto de tal efecto. Por otro lado, los físicos estadounidenses de la costa este, y A rthu r C om pton en particular, sostenían que existía indiscutible evidencia de un efecto de latitud y que los rayos cósm icos prim arios de- b ían po r tan to consistir en partículas cargadas. El desacuerdo se convirtió en una gran controversia, que fue b ien cubierta en los periódicos estadounidenses. El resultado de la controversia fue, básicam ente, que M illikan perdió y C om pton ganó. Ya en 1929, W alther Bothe y W erner K ohlhórster en Berlín afirm aron haber dem ostrado que los rayos cósmicos incluían partículas cargadas penetrantes en vez de los «rayos u ltra gamma», com o se creía hasta entonces. Su conclusión quedó confirm ada po r el joven físico italiano Bruno Rossi de la U niversidad de Florencia. Rossi desarrolló una im portan te nueva técnica conectando contadores Geiger-M üller en un «circuito coincidente» de tal m odo que sólo las partículas que atravesaran todos los contadores quedaran registra- das. Sobre 1933, se acum uló evidencia experim ental en con tra de la teoría fotónica de M illikan, esencialm ente m edidas a distintas latitudes geográficas. La mayoría de las partículas penetrantes de la radiación cósm ica prim aria resultaron estar cargadas y, po r alguna razón desconocida, positivam ente. D urante algún tiem po M illikan, A nderson y otros californianos se resistieron a esta conclusión, pero a partir de 1935, apro- x im adam ente, la controversia llegó a su fin. Experim entos británicos que utilizaron circuitos coincidentes constru idos con cám aras de niebla controladas p o r contadores confirm aron las conclusiones de Bothe, K ohlhórster y Rossi. En 1935 Street m ostró que la gran m ayoría de los sucesos en las placas de plom o eran partículas cargadas individuales, p o r tan to altam ente penetrantes, y no una lluvia o cascada de partículas originadas en fotones. Esto concluyó la controversia, más o m enos, pero tam bién plan- teó una pregunta pertinente: ¿qué eran estas partículas?


Se pensaba al princip io que las partículas penetran tes de los rayos cósmicos eran electrones, pero la m anera en que perdían $٧ energía indicaba que podían no ser electrones ordinarios. A ctuaban extrañam ente, y A nderson y su grupo en Caltech se refe- ría a ellos inform alm ente com o electrones «verdes» para distinguirlos de los electrones ordinarios, absorbibles o «rojos». En 1936 la naturaleza de estos electrones verdes se convirtió en un objeto de gran discusión, entre o tras cosas porque una posible solu- ción al p roblem a era teórica: que la electrodinám ica actual podría ser incapaz de explicar el fenóm eno. Parecía que existían dos alternativas, o bien la teoría cuántica se in- fringía a altas energías o bien una nueva partícula, in term edia en m asa entre el p ro tón y el electrón, entraba en juego. Casi todos los físicos escogieron la prim era alternativa, pero la solución del enigm a resultó estar en la segunda.

¿Podían ser p rotones estas partículas? No según A nderson y Seth Nedderm eyer, que concluyeron en la conferencia de Londre،s en 1934 que «ط m ayoría de las partículas de rayos cósm icos de alta energía a nivel del m ar tienen m asa electrónica» (Galison 1983, p. 287). Si estas partículas de m asa electrónica no eran electrones, ¿qué eran? El 2ل de diciem bre de 1936, A nderson recibió el prem io N obel p o r su descubrim iento del posi- trón . Podría haber sido una o p o rtu n id ad para especular sobre los m isteriosos electrones verdes, pero A nderson resistió la tentación. En su discurso en Estocolmo, m encio- nó los nuevos datos sobre rayos cósm icos y observó que «estas partículas altam ente penetrantes, aunque no sean electrones positivos y negativos libres, p roporcionarán interesante m aterial para estudios futuros». Así fue: en la prim avera de 1937, A nderson y N edderm eyer llegaron a la conclusión de que la hipótesis más razonable era que «ex؟،؛- tían partículas de carga unidad, pero con una m asa (que puede no tener u n valor ún i- co) m ayor que la de u n electrón norm al libre y m ucho m enor que la de un protón» ( ibid., p. 298). Poco después, al o tro lado del continente am ericano, Street y su grupo llegaron a una conclusión similar, aunque m ediante argum entos m uy distintos, y tam - bién lo hizo un grupo japonés dirigido p o r Yoshio N ishina. El descubrim iento de lo que se conoce hoy en día com o nm ón fue p o r tan to triple, aunque no existe discusión acerca de la prio ridad: les correspondió a los californianos. U na partícula con m asa interm edia entre el electrón y el p ro tón , un m esón, había sido descubierta, ¿o no? Exac- tam ente cuándo fue descubierto el electrón pesado, m esón ٣ o m uón es u n a pregunta que apenas merece contem plarse, pero si la merece, es una p regunta com pleja. En cualquier caso, es una pregunta relacionada con otros desarrollos en física de rayos cósm i- eos y de partículas que tuv ieron lugar aproxim adam ente al m ism o tiem po, y p o r tan- to no puede contestarse de m anera aislada de estos desarrollos.

Después de que se reconociera que la partícu la de A nderson-N edderm eyer-Street era real, la siguiente cuestión era obviam ente determ inar su m asa y o tras característi- cas, com o su espín y sus m odos de desintegración. Una pregunta m enos im pórtam e, pero que tam bién tenía que decidirse, era la concerniente al nom bre de la partícula. Entre los nom bres sugeridos estaban m esón, n iesotrón, baritrón , electrón pesado y yu- kón; los dos prim eros derivaban de la m asa de la partícula, el ú ltim o de la reciente teo- ría de «cuantos pesados» de Yukawa. D urante un tiem po, el «m esotrón» sugerido por


M illikan, A nderson, N edderm eycr era de uso general, pero en los años cuarenta el «mesón», abreviado, sugerido po r H om i Bhabha, acabó siendo el nom bre m ás popular y fue oficialm ente aprobado por la C om isión de rayos cósm icos de la U nión Inter- nacional de la Física en 1947. En 1937 Street y Edward c . Stevenson estim aron, a partir de la ionización específica y longitud de la traza en la cám ara de niebla, un valor para la m asa del m esotrón de unas 130 veces la m asa del electrón, no m uy d istin to de ط estim ación de 200 veces en la teoría de Yukawa para las fuerzas nucleares. La identi- ficación de la partícula de Yukawa y del m esotrón de 1937 fue sugerida p o r prim era vez p o r O ppenheim er y Robert Serber el m ism o año, siendo un desastre m enor, com o verem os más adelante. El hecho de que la predicción de Yukawa fuera publicada antes del ، ! c u b r im ie n to del m esotrón, y la creencia de los físicos de que la predicción se refe- ría al m esotrón, no significa que el descubrim iento experim ental estuviera relacionado causalm ente con la teoría de m esones. C om o en el caso del positrón , no existía CO-

nexión entre teoría y experim ento. A nderson y N edderm eyer no supieron de la

TABLA ل.ولAlgunos descubrim ientos de partículas, 1897-1956

Nombre actual Nombre(s) antiguo(s) Predicción DescubrimientoElectrón corpúsculo, negatrón 1894; j. Larmor آ.آ:1897 . ThomsonProtón partícula H

-

Alrededor de 1913 (ningún descubridor)

Neutrino neutrón 1929; w . Pauli 1956; F. Reines, c. Cowan

Positrón electrón positivo 1931; P. Dirac 1932; C, AndersonNeutrón — 1920; E. Rutherford 1932; 1. ChadwickAntiprotón protón negativo 1931; P. Dirac 1955; O. Chamberlain,

E. Segré, C. Wiegand, T. Ypsilantis

Antineutrón 1935; G. Wataghin 1956; B. C ork G. Lambertson,ه . Piccioni, w . Wenzel

Muón mesotrón, mesón [i~

1937; c. Anderson, s. Neddermeyer

Pión cargado m e só n tt 1935; H. Yukawa 1947, C. Powell,G. Occhialini, c. Fattes

Pión neutro mesón tt 1938; N. Kemmer 1950; R. Bjorklund, w. Crandall, B. Moyer, H.York

Barión A° partícula V-

1947: c , Butl،r, G. Rochester

Barión K t t3 m e só n tt - 1949; C. ?owell £٢ al.

De dos panículas a muchas antipartículas ل9ا

predicción de Yukawa hasta el verano de Í937. C om o N edderm eyer recordó más tarde: «El m uón, com o el positrón , fue un descubrim iento puram ente experim ental, en el sentido de que se realizó de m anera to talm ente independiente de cualquier considera- ción teórica sobre qué partículas deberían existir o no» (Brown 1981, p. 132).

H abría que esperar hasta el final de la Segunda G uerra M undial para que se ob tuvieran valores m ás precisos para la m asa del m e$otrón. En 1950 el valor de la masa se había determ inado en 215 ± 6 masas electrónicas, claram ente d istim o de lo que se sa- bía po r entonces acerca de la m asa del m esón de Yukawa. En lo concerniente a la de- sintegración, la identificación del m esotrón con la partícula de Yukawa indicaba los esquem as de desintegración إل + —> e+ + V ó ٣ e~ + V en analogía con la desintegración beta. Se sabía m uy poco de los muone،s, com o se acabó denom inando a estas partícu- las en los años treinta. Fue tan sólo en 1941 cuando Franco Rasetti de la U niversidad de Roma (aunque trabajando por aquel entonces en C anadá) determ inó un tiem po de vida m edio de (1,5 ± 0,3) X 10 “6 segundos, u n valor no m uy distin to del que se acepta hoy en día. N o existían indicativos firmes del espín del m e$otrón en aquella época. Generalizando, aunque el descubrim iento del m e؟o tró n fue útil a la hora de entender el contenido en partículas de la radiación cósmica, y después para el rango de validez de la electrodinám ica cuántica, no aclaró realm ente la situación de la física de partícu- las elem ental (véase tabla 13.1). De hecho, aunque este hecho era felizm ente desconocido en la época, hizo que la situación fuera todavía más com plicada.

C r is is de la teoría cuántica

Dirac fue el prim ero, en 1927, en desarrollar una teoría cuántica del cam po electrom agnético, seguido p o r Jordán, de m anera independiente. Jordán creía «m uy probable» que la teoría se desarrollara p ro n to en «la form ulación natural de la teoría cuán- tica electrónica, m ediante la descripción de luz y m ateria com o ondas ím eractuantes en el espacio tridim ensional» (Rueger 1992, p. 312). Sin em bargo, el desarrollo resultó m ucho más frustran te de que lo que se e,؟peraba en 1927. Dos años después, Pauli y Heisenberg propusieron una am biciosa teoría de electrodinám ica cuántica (QED) que era relativistam ente invariante e incluía la cuantización de la radiación adem ás de las ondas de m ateria. La teoría Heisenberg-Pauli fue una obra m aestra de física m atem á- tica y el fundam ento de futuras teorías de QED, pero tam bién era com plicada e indi- gerible para la m ayoría de los físicos. A pesar de sus prom etedoras características, estaba plagada de paradojas y m agnitudes divergentes. En particular, la energía propia del electrón (la energía de un electrón en su propio cam po electrom agnético) resultaba infinita, lo cual era, p o r supuesto, u n resultado inaceptable. Sin em bargo, m uchas aplicaciones del form alism o de Heisenberg-Pauli eran independientes de las deficiencias teóricas.

Después del desarrollo rápido y lleno de éxito de la m ecánica cuántica no relativista de 1925 a 1927 sucedió un periodo de serias dudas sobre los fum lam entos de la m e- cánica cuántica, al in ten tar establecer una teoría invariante relativista de las ؛nterac-


ciones electrom agnéticas. M uchos físicos creían que una nueva revolución cuántica, basada en algún concepto radicalm ente nuevo, estaba próxim a. Los problem as eran de una naturaleza en parte lógica y conceptual, y en parte debidos a fallos en la teoría ex؛$- tente a la hora de dar cuenta de nuevos hallazgos em píricos. D entro del p rim er grupo de problem as, el caso arquetípico era la energía propia del electrón puntual, que resultaba ser infinita, y éste era sólo uno de los serios problem as que acechaban a la ele،> trod inám ica cuántica basada en la teoría de Heisenberg y Pauli de 1929. M ientras que la energía propia infinita tenía su hom ólogo en la teoría clásica, aparecieron nuevas divergencias de naturaleza no clásica en la teoría cuántica de cam pos relativista. Por ejem plo, j. Robert O ppenheim er probó en 1930 que, adem ás de la energía propia elec- trostática clásica, un nuevo efecto cuántico contribu iría a la energía propia con un tér- m ino divergente cuadráticam ente. C om o © ppenheim er señaló, las divergencias debe- rían causar un desplazam iento infinito de las líneas espectrales. C uando se incorporó el positrón a la teoría cuántica de cam pos, los infinitos siguieron ahí: en la teoría del positrón , la contribución a la densidad de carga eléctrica debida a la polarización del vacío se dem ostró que era divergente. O tro tipo m ás de divergencia, la «catástrofe infrarroja» surgió a finales de los tre in ta en conexión con los in tentos de explicar la emi- sión de electrones blandos du ran te la dispersión de partículas cargadas. La consistencia lógica de la teoría cuántica relativista tam bién se cuestionaba en conexión con la legitim idad del cam po electrom agnético cuántico. En 1931, Landau y Peierls argu- m en taron que las m edidas de cam po no se podían realizar sin am bigüedades y que por tan to la electrodinám ica cuántica del m om ento era inconsistente. La crítica de Landau y Peierls fue preocupante hasta 1933, cuando Bohr y Léon Rosenfeld m ostraron que las consecuencias de la electrodinám ica cuántica eran consistentes con las m ejores m edidas posibles de m agnitudes del cam po electrom agnético. £1 trabajo de Bohr y Rosen- feld se in terpretó generalm ente com o si los fallos de la QED pudieran evitarse si sólo se form ulaban preguntas acerca de m agnitudes de cam po prom ediadas, definidas en regiones del espacio-tiem po no puntuales.

La situación teórica y conceptual en la QED fue un m otivo de gran preocupación para los físicos. En 1930 Bohr escribió a Dirac: «[...] creo firm em ente que la solución de los problem as actuales no se alcanzará sin una revisión de nuestras ideas físicas generales todavía m ás p ro funda de la que se contem pla en ظ m ecánica cuántica actual» (Cassidy 1981, p. 9). Tres años después, los problem as se hicieron aún más graves. Ro- bert O ppenheim er los resum ía así a su herm ano Frank: «Com o sin duda sabes, la físi- ca teórica (con los fantasm as de los neutrinos, la convicción de C openhague, contra toda evidencia, de que los rayos cósmicos son protones, la teoría de cam pos de Bohr absolutam ente incuantizable, la,؟ dificultades con las divergencias para el positrón , y la absoluta im posibilidad de llevar a cabo ni u n sólo cálculo riguroso) está m etida en un buen follón» (Kragh 1990, p. 165). En 1936 D irac llegó a la conclusión de que la QED tenía que abandonarse porque era una teoría fea y com plicada y en realidad no explicaba nada. A Einstein, que encontraba la QED «horrible», le agradó la conclusión de Dirac.


C on el segundo grupo de problem as, las anom alías experim entales, los desafíos más serios eran los derivados del entendim iento del núcleo atóm ico y la parte de alta energía de la radiación cósmica. La teoría del frenado de partículas rápidas cargadas por m ateria no estaba de acuerdo con los experim entos, com o W alter Heitler, un experto en cálculos de teoría cuántica de cam pos, concluyó en 1933. C uando se unió a Bethe para desarrollar una teoría del frenado más rigurosa, los desacuerdos perm anecieron. «La pérd ida de energía po r radiación teórica para energía inicial elevada es c laram ente dem asiado alta para que sea reconciliable en algún m odo con los experim entos [con rayos cósmicos] de A nderson», escribieron en 1934 Bethe y Heitler. «Es m uy in teresante que la pérd ida de energía de los electrones rápidos [...] p roporciona el p rim er ejem plo en el que la m ecánica cuántica aparentem ente se infringe para un fenóm eno fuera del núcleo» (Galison 1983, p. 285). Los datos que A nderson y N edderm eyer p resentaron en la conferencia de Londres en octubre de 1934 m ostraban buen acuerdo con la teoría para energías bajas, pero un desacuerdo to tal para energías superiores a unas 150 veces la energía en reposo del electrón ( me 2- 0,51 MeV). Para explicar la d iscrepancia entre teoría y experim entos, se sugirió que las partículas penetrantes eran protones y no electrones; y cuando esta teoría resultó insostenible, se concluyó que la QED había fracasado a altas energías. De acuerdo con el inform e de Bethe sobre la conferencia de Londres, «los experim entos de A nderson y N edderm eyer sobre el paso de electrones de rayos cósm icos a través de p lom o [...] [m uestra que] la teoría cuántica al parecer deja de funcionar para energías de unos 108 voltios» (ibid., p. 288). Bethe, Heitler, O ppenheim er y o tros teóricos cuánticos se enfrentaban a una elección entre in tro d u cir una nueva partícu la o aceptar la ru p tu ra de la QED. Entre las dos posibilidades, escogieron la segunda. C on el descubrim iento del m esotrón (m uón) en 1937, la situación m ejoró considerablem ente y m uchos físicos concluyeron que no había necesidad de una revolución cuántica después de todo. Pero el sentim iento de crisis prosiguió, ya que la QED estaba todavía plagada de infinitos, y las nuevas teorías de cam po del m esón que surgieron a finales de los años tre in ta tenían sus propios problem as de divergencias.

Las respuestas a lo que se percibía com o una crisis continuada variaban. M uchos físicos im portan tes, incluyendo a Bohr, D irac, Heisenberg, Pauli y Landau, creían en un enfoque revolucionario; es decir, que los problem as no se podían resolver den tro de la teoría existente sino que se deberían explotar para constru ir una teoría fu tu ra que p o dría diferir de la teoría cuántica existente tan to com o ésta difería de la teoría clásica. O tros físicos, de disposición m ás pragm ática (incluyendo a Bethe, Heitler, Fermi y O p penheim er) m an ten ían que los problem as se podían evitar m ediante m ejoras técnicas, o que alguna reform ulación apropiada de la teoría existente podría llevar al m enos a respuestas sensatas a todos los problem as que aparecieran em píricam ente. A unque estas dos actitudes se pueden identificar com o tendencias históricas, la diferencia entre «revolucionarios» y «conservadores» no era absoluta n i perm anente. Por ejem plo, a u n que H eisenberg y D irac favorecían en general el enfoque revolucionario (que la teoría existente debería reem plazarse p o r o tra com pletam ente nueva) esto no les im pidió ex


plo rar m aneras de solucionar los problem as que estuvieran basados en m odificaciones de la teoría existente.

Por conveniencia, se pueden dividir en cuatro clases las actitudes de los físicos de los años tre in ta con respecto a los problem as de la teoría cuántica.

1. Algunos de los físicos de conciencia revolucionaria incluso dieron la bienvenida a la serie de crisis, que consideraban genuinas m anifestaciones de las lim itaciones de la teoría existente y po r tan to una pista de la fn tu ra teoría que habían so- ñado. Heisenberg creía que los térm inos infinitos no debían descartarse y que tam bién ocurrirían en la teoría correcta del futuro, en una versión interpretada apropiadam ente.

2. O tros físicos se concentraron en evitar las divergencias sin cam biar el m arco de la teoría existente. U na m anera de conseguirlo era cortando las contribuciones de alta frecuencia. Los procedim ientos de corte (cutoff) se utilizaban frecuente- m ente y dem ostraron su u tilidad en cálculos prácticos, pero dado que no tenían justificación teórica y que destru ían la invariancia relativista, se consideraban generalm ente pseudosoluciones pragm áticas. O tra m anera de extraer inform a- ción fiable de una teoría presum iblem ente poco fiable era om itir o sustraer tér- m inos indeseados m ediante técnicas de cálculo adecuadas. Este enfoque, intro- ducido p o r D irac y Kram ers, contenía el germ en de los procedim ientos de renorm alización que se desarrollaron después de 1945 y a los cuales volveremos en el capítulo 22.

3. U n enfoque relacionado era in ten tar elim inar las divergencias m ediante, o bien cam bios directos en la teoría cuántica, o bien cam biando la fundam entación clásica. El p rim er enfoque fue propuesto p o r Gregor Wentzel en su m étodo denom inado de X lím ite (1933) y p o r D irac en su in troducción de probabilidades negativas y un a m étrica indefinida para el espacio de H ilbert (1941). El enfoque de reform ar la teoría clásica fue adoptado, de distin ta m anera, p o r Born y Leo- pold Infeld en su teoría de cam pos no lineal de 1934 y po r D irac en su teoría de electrones de 1938.

4. Un últim o enfoque era abandonar la electrodinám ica cuántica y reem plazarla, al m enos tem poralm ente, con u n a teoría más m odesta, o u n grupo de reglas, basadas en argum entos de correspondencia. Esta a lternat؛¥a fue seguida p o r un tiem po p o r C hristian M oller, O ppenheim er y Bethe, pero quedó claro que era m enos fundam ental que la electrodinám ica cuántica.

H eisenberg era uno de los contribuyentes más activos a la discusión fundacional de la QED, tan to en sus contextos pu ram ente teóricos com o en sus aplicaciones a los fe- nóm enos de rayos cósmicos. Su m anera favorita de resolver los problem as de divergencia era in troducir una longitud m ínim a, com o hizo en 1938, cuando argum entaba que la longitud m ín im a o fundam ental debería derivarse de la nueva teoría del m esón de Yukawa. H eisenberg esperaba constru ir sobre esta base una teoría cuántica nueva.


invariante relativistam ente, que contuviera a la antigua com o un caso hm ite y difiric- ra de ella sólo cuando la longitud fundam ental no se pudiera considerar una cantidad

" Sin em bargo, su teoría recibió criticas de la mayoría de los dem ás físicos,incluyendo a Pauli, quien al principio había cooperado con Heisenberg en su progra- m a de investigación.

El cuanto pesado de Yukawa

«En el m om ento actual de la teoría cuántica se conoce poco sobre la naturaleza de la interacción entre las partículas elementales». Así em pezaba el artículo de H idek؛ Yu- kawa, u n físico japonés de veintiocho años de la Universidad Im perial de Osaka, en el prim er núm ero del volum en de 1935 de las Actas de la Sociedad Físico-Matemática de Japón, una revista no m uy conocida fuera de Japón. El artículo se basaba en un ،lis- curso de diez m inutos im partido en el encuentro de la Sociedad Físico-M atem ática en Tokio el 17 de noviem bre de 1934. Yukawa se ocupaba de las fuerzas nucleares y estaba inspirado, por un lado, po r la teoría nuclear de H eisenberg de 1932 y, po r o tro, por la teoría de la radiactividad beta de Ferm i de 1934. Basando su razonam iento en ideas de estas dos ftrentes, in ten tó desarrollar una im agen unificada de lo que más tarde se denom inaría las interacciones débiles y fuertes. D urante su in tento, se vio llevado a postular «un nuevo tipo de cuanto» que m ediaba las fuerzas de intercam bio en el nú- cleo atóm ico en analogía con el fo tón en los cam pos electrom agnéticos. Yukawa sugi- ríó que el nuevo potencial nuclear se desintegraría nruy rápidam ente con la distancia y que el rango del potencial sería aproxim adam ente X = 2 x 10 m, el tam ؟-' año carac- terístico de los núcleos atóm icos. Sugirió adem ás que el parám etro de rango estaría relacionado con la m asa del «cuanto u» cargado según X = 2ttmc/h, y así predijo un valor para su m asa de unas 200 masas electrónicas.

Pero ¿existían los cuantos pesados o eran sim plem ente aberraciones m atemáticas? Yukawa m encionaba cautam ente que «dado que un cuanto así, de masa elevada y carga positiva o negativa, nunca se ha encontrado experim entalm ente, parece que la teo- ría descrita va por m al cam ino» (Beyer 1949, p. 144). Sin em bargo, existen pocas dudas de que Yukawa creía que sus cuantos existían y que no com partía los tem ores de sus colegas occidentales a la ho ra de in troducir nuevas partículas. A unque los cuantos pesados no aparecían en experim entos ordinarios, argum entó que serian observables en ’ a altas energías, com o en las que ocurrían en la radiación cósmica.

La predicción de Yukawa de una nueva partícula elem ental entre el electrón y el p ro tón fue acogida silenciosam ente. D urante más de dos años pasó desapercibida, no sólo en Europa y Estados U nidos, sino tam bién en Japón. El m ism o Yukawa dejó el asunto duran te m ás de un año. Fue sólo cuando las m edidas anóm alas de A nderson y N edderm eyer em pezaron a a traer atención cuando Yukawa, el 18 de enero de 1937, en- vió una nota a una revista occidental sobre su teoría, sugiriendo que «no es to talm ente im posible que las trazas anóm alas descubiertas p o r A nderson y N edderm eyer, que es probable que pertenezcan a rayos desconocidos con e/m m ayor que el p ro tón , sean


en realidad debidas a estos cuantos [[/]» (Brown y Rechenberg 1996, p. 123). El editor de N ature declinó la publicación porque juzgó que la sugerencia era especulativa. (Cuatro años antes, la m ism a revista había rechazado tam bién el artículo de Fermi sobre desintegración beta.) Sin em bargo, con el anuncio en mayo de 1937 de que el meso trón había sido descubierto en la radiación cósm ica, la respuesta a la teoría de Yuka- w a cam bió drásticam ente. La prim era referencia a ella en una revista occidental provino de O ppenheim er y Serber en jun io de 1937, cuando juzgaron que la teoría de Yukawa era artificial e incorrecta. Sin em bargo, u n a respuesta negativa puede ser a veces m ejor que ninguna, y la evaluación crítica de © ppenheim er y Serber sirvió sin duda de anuncio efectivo para la teoría japonesa. En o toño de 1937, los físicos en Europa y Estados U nidos estaban ocupados estudiando el artículo del desconocido físico japo- nés. La razón del súbito cam bio de actitud de indiferencia a entusiasm o era claram ente que los físicos encon traron en la predicción de Yukawa la m ism a partícula que se ha- b ía acabado de descubrir experim entalm ente por A nderson y Nedderm eyer. En otras palabras, el m esotrón era el cuanto u. La ¡dentifâcíón fue asum ida en general, pero p ron to resultó ser problem ática. D uran te los años siguientes a 1937, la teoría m esóni- ca de las fuerzas nucleares atrajo m ucho interés y fue desarrollada po r u n gran núm e- ro de físicos, sobre todo en Japón y Europa. Entre los contribuyentes japoneses más im - portan tes estaban Yukawa, S in-Itiro Tom onaga, Sholchí Sakat y M ituo Taketaní; los europeos incluían a Heitler, N icholas Kemmer, H erbert Fróhlich, Pauli y H om í Bha- bha (que era de India, pero trabajaba en Inglaterra).

El m esón nuclear era inestable, con una vida m edía en reposo que Yukawa estimó de 10“7 segundos en 1938. El m ism o año, Heisenberg y Hans Fuler hallaron, a partir de un análisis de datos experimentales, 2,7 X 10 ؛ ’segundos para la vida del m esotrón de los ra -

yos cósmicos. El valor no cambió m ucho cuando se realizaron las prim eras medidas directas durante la guerra. Heisenberg y Luler no estaban preocupados po r la discrepancia y encontraron el acuerdo «bastante satisfactorio». Tampoco los problemas con la masa del m esotrón hicieron que saltara la alarm a entre los físicos. Los experim entos a finales de los treinta no ' proporcionar un valor preciso para la masa del m esotrón, sino va-lores que variaban considerablemente, de ٧٠ masas electrónicas a 350 o más. ?ero los fí- sicos no encontraron la divergencia alarm ante y, po r un tiem po, consiguieron convencer- se a sí m ism os de que los mesotrones tenían un 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 por materia, pero esta ano- malía tam poco provocó que los físicos se cuestionaran la suposición de un solo mesón.

El estallido de la Segunda G uerra M undial significó natu ralm en te que el trabajo en física pura , com o la teoría m esónica y la investigación en rayos cósmicos, se redujera m ucho, ?ero no se detuvo to talm ente y en varios de los países beligerantes, incluyendo Italia, Japón y los Estados Unidos, se con tinuaron im portan tes trabajos a lo largo de los años de guerra. De acuerdo con la teoría aceptada de los m esotrones, propuesta po r Tom onaga y Toshíma Arakí en 1940, las partículas negativas se cap turarían y absorbe-


rían en €١ núcleo, dejando ة0ها las positivas, que se descom pondrían en electrones ١٢ neutrinos. D ado que la probabilidad de absorción de un m esón negativo (com o lia- m aré de ahora en adelante a la partícula) era m ucho m ayor que la probabilidad de de- ' de acuerdo con la teoría, los m esones negativos deberían absorberse casi

com pletam ente y no deberían aparecer electrones procedentes de una desintegración. £1 efecto Tomonaga-Araki fue confirm ado p o r los tres físicos italianos Marceilo Conver- si, Oreste Piccioni y Ettore Pancini en 1945, utilizando hierro com o m aterial absorben- te. Sin embargo, cuando se utilizó grafito en experim entos posteriores el efecto desapa- reció m iseriosam ente, y en otros elementos ligeros, los mesones negativos resultaron decaer a un ritm o sim ilar al de las partículas positivas. Este resultado, obtenido a principios de 1947 y rápidam ente confirm ado en los Estados U nidos, era una anom alía genuina, ya que contradecía la predicción de Tom onaga-Araki. En aquel m om ento , las dificultades acum uladas p o r la teoría de u n solo m esón ya no podían ignorarse y las cosas de repente progresaron con rapidez. A unque los físicos italianos no sugirieron n inguna explicación de la anom alía, sus colegas en los Estados U nidos sí lo hicieron.

D urante la prim era conferencia en Shelter Island en jun io de 1947 (que debatire- m os tam bién en el capítulo 22), el experim ento italiano fue uno de los tem as de dis- cusión. Robert M arshak de la Universidad de Rochester sugirió resolver la anom alía m ediante una hipótesis de dos m esones. De acuerdo con esta hipótesis, existían dos tipos distintos de m esones, con diferentes masas y tiem pos de vida; las partículas penetrantes y con interacción débil surgían por la desintegración de partículas fuertem ente interactuantes en la atm ósfera superior. Poco después, tuvo conocim iento de la evidencia de Bristol a favor de dos m esones y se dio cuenta de que encajaba bien con su teoría; jun to con Bethe, M arshak desarrolló la idea en una teoría de dos m esones apropiada, que incluía un cálculo del tiem po de desintegración del m esón pesado, con un resultado de unos 10~7 segundos. U na propuesta algo sim ilar a la teoría Bethe- M arshak fue form ulada independientem ente po r Sakata y Takesi Inoue en Japón, ba- sándose en una idea an terior de Sakata yYasutaka Tanikawa.

O tra respuesta al experim ento de Conver،؛؟, Piccioni y Pancini provino del físico italiano Bruno Pontecorvo, que trabajaba entonces en Canadá (emigraría más tarde a la Unión Soviética). En verano de 1947, Pontecorvo sugirió que el m esón de Anderson- N edderm eyer era u n electrón pesado y po r tanto pertenecía a lo que más tarde se deno- m inaría la familia de leptones. Pontecorvo se dio cuenta de que la captura de los mesones po r los núcleos se parecía a la captura nuclear de electrones y sugirió el proceso + ■٣ م —>n + v ,e n analogía con el proceso beta inverso e ' + p - > n + y. También 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 urante la prim avera de 1947, la identificación de una década de la partícula de Yu- kawa con la de A n c l^ n -N e d d e rm e y e r estaba derrum bándose rápidam ente. La atm ós- fera conservadora anterior dio paso a un «severo antidogm atism o», com o recordaba Pontecorvo. La única pieza que faltaba en el rom pecabezas era ahora la identificación de la partícula fírertem ente in teractuante de Yukawa.


La p rim era observación de una desintegración nuclear po r un m esón se realizó en enero de 1947, cuando l)onald Perkins, u n físico de Londres, sugirió identificar u n suceso de rayos cósm icos com o u n a partícula «sigma» de m asa in term edia reaccionando con u n núcleo ligero. Unas sem anas después, Cecil Powell y su grupo en la Universi- dad de Brístol in form aron de varias trazas similares en placas fotográficas expuestas a la radiación cósmica. En su com unicación a Nature de mayo de 1947, el equipo de Bris- to l in form ó de la observación de «mesones dobles», es decir, lo que parecía ser u n me- són que se originaba de o tro m esón detenido. Sin em bargo, fue sólo en o toño de 1947 cuahdo Powell, jun to con Occhialini y el físico brasileño Cesare Lattes, concluyeron que u n «m esón TT» pesado se desintegraba en u n «m esón ٣ » más ligero (la traza del electrón no era visible en las em ulsiones de 1947). O riginalm ente, los tres físicos concluyeron que ط m_/ r n2 lo que im ,؛ = plicaba que la desintegración de TT a [i. estaba acom pañada de una partícula pesada neutra. La masa se determ inó con precisión tan sólo cuando Lattes fue a Berkeley y p rodujo artificialm ente el m esón TT. El resultado, m^/m^ = 1,33, contradecía el valor de Bristol. En ' Powell y su grupo sevieron forzados a concluir que estaban equivocados y que no había n inguna partícula n eu tra pesada involucrada en la desintegración. En todo caso, lo im portan te era que el m esón n (pión) había sido descubierto y que se vio que era d istin to del m esón ٣ (m uón), más ligero.

C om o los descubrim ientos del positrón y del m uón, el descubrim iento del pión tam poco estaba relacionado con la teoría. Los físicos dieron la bienvenida al verdadero m esón de las fuerzas nucleares, la m asa del cual encajaba bien con la teoría de Yu- kawa. Pero con el descubrim iento del p ión, el estatus del m u ó n cam bió y no parecía haber lugar para la partícula de A d erso n -N ed d erm ey er en las teorías físicas. «¿Quién ha encargado esto?» se dice que preguntó sobre el m uón Isidore Rabí. El año de 947 ل m arcó el fin de la prim era fase, y el principio de una nueva, en la aún joven disciplina de la física de partículas elementales. El m esón TT fue predicho por un físico japonés y

la teoría de Yukawa se desarrolló principalm ente por físicos teóricos en Europa y Ja- pón; los experim entos con m esones ftreron p o r un tiem po una especialidad italiana; el descubrim iento de 1947 tuvo lugar en Inglaterra po r un equipo internacional, que in- cluía a un italiano y un brasileño; y el descubrim iento, com o otros experim entos ante- ríores, utilizaba com o ftrente de m esones la radiación cósmica. Después de 1947, la fí- sica de partículas cam biaría en m uchos aspectos. El cam po acabaría dom inado por físicos estadounidenses y el papel de la radiación cósm ica sería desafiado po r los nuevos aceleradores de altas energías. Seguiremos con esta h istoria en el capítulo 21.

C AP ÍTU LO 14

l^ licaciones filosóficas de la mec¿nica cuántica

Incertidumbre y complementariedad

D urante los años que siguieron a 1925, la pequeña población de físicos cuánticos estaba in tensam ente ocupada no sólo en desarrollar la teoría y aplicarla a nuevas áreas, sino tam bién en en tender el fundam ento conceptual de la teoría. De m anera ím plíci- ta, y en algunos casos tam bién explícita, los físicos actuaron com o filósofos. Schródin- ger, com o hem os visto, in ten tó al principio in terpretar la m ecánica ondu lato ria de m a- ñera electrodinám ica, pero tuvo que adm itir que la in terpretación era insostenible, © tros físicos sugirieron la h idródinám ica en vez de ظ electrodinám ica com o ظ teoría del continuo apropiada sobre la cual podría obtenerse una com prensión semiclásica de la m ecánica ondulatoria. ٢٠٢ ejem plo, en 1926 el físico alem án Erwin M adelung de$a- rrolló u n m odelo h idrodinám ico que reproducía algunas características básicas de la teoría de Schródinger, pero no todas ni m uchos m enos. Tales m odelos o analogías continuaron sugiriéndose tan to antes com o después de la Segunda G uerra M undial, pero no tuv ieron éxito y la m ayoría de los físicos cuánticos no les prestaban atención. A partir del o toño de 1926, la in terpretación probabílista de Born fue aceptada po r la m a- yoría de los físicos, aunque la com prensión precisa e im plicaciones de esta in terpreta- ción fueron objeto de debate. De broglie, cuyo trabajo había sido el pu n to de partida de la m ecánica ondulatoria, era reacio a unirse al pun to de vista m ayoritario. En 1927 propuso com o una alternativa una «teoría de la solución doble», que se constru ía sobre u n sistem a doble de soluciones a la ecuación de Schródinger. Según la teoría de De Broglie, u n a partícu la podría describirse com o u n paquete concentrado de energía, CO- rrespondiente a una solución singular, y la partícula sería guiada p o r una onda ٠ continua (una «onda piloto») que se in terpretaba de acuerdo con el pun to de vista probabilista de Born. De este m odo. De Broglie consiguió form ular una teoría determ inista de la microfísica sin abandonar del todo la inspiración de Born acerca de la naturaleza probabilista de los procesos cuánticos. La teoría de De Broglie fue duram ente criti


cada por Pauli en el congreso de Solvay de 1927, y ni Schródinger ni Einstein la apoyaron. D ecepcionado e incapaz de contestar a las objeciones de Pauli, De Broglie aban- donb su teoría. En 928؛ ya había abrazado la in terpretación de Copenhague favorecí- da po r Born, Heisenberg, Bohr y otros, y duran te m ás de dos décadas siguió siendo un leal partidario de Copenhague.

En 1952 De Broglie volvió a una versión m odificada de su teoría de la solución doble y, a p a rtir de ese m om ento , siguió su propio cam ino. El m ism o año, un enfoque si- m ilar al de De Broglie fue adoptado p o r David Bohm , u n joven físico * quien, hasta entonces, había seguido u n ortodoxo cam ino en su pu n to de vista de ظ teoría cuántica. In troduciendo lo que denom inó u n «potencial cuántico», Bohm con- siguió form ular una teoría cuántica que, aunque no clásica, retenía algunas caracterís- ticas clásicas, com o que las partículas se m ovieran siguiendo trayectorias específicas de acuerdo con el princip io de causalidad. La teoría de B ohm fue o bien ignorada o bien criticada p o r innecesaria, porque m eram ente reproducía los resultados conocidos de la teoría cuántica ordinaria. Según Heisenberg, era «ideológica», y Pauli la consideraba «metafísica artificial». H icieron falta unos veinticinco años para que la teoría de Bohm se debatiera am pliam ente, e incluso entonces, sólo por una m inoría de físicos.

Tras este breve desvío p o r el periodo de posguerra, volvemos ahora a los dorados años veinte. ¿Cuál era el significado m ás profundo de la falta de conm utabilidad entre cantidades conjugadas canónicas, com o la posición y el m om ento de una partícula? Esto era, entre otras cosas, lo que Heisenberg respondió con su fam oso princip io de incertidum bre en la prim avera de Í927. (Em plearem os los térm inos ' e« indeterm inación» indistin tam ente, aunque a veces éstos tienen pueden tener signifi- cados algo distintos.) La idea general de este princip io fundam ental había estado en el aire duran te u n tiem po y, p o r ejem plo, se discutía en una carta que Pauli escribió a H eisenberg en octubre de 1926. «La prim era p regunta es, p o r qué sólo las م , y en todo caso nunca las م y tam bién las و , pueden describirse con cualquier precisión», Pauli es- cribió. «Uno puede ver el m undo con ojos م y puede verlo con ojos و , pero si uno abre los dos ojos a la vez entonces se pierde» (H endry 1984a, p. 99). Heisenberg estaba de acuerdo, y respondió que «no tiene sentido hablar de la posición de una partícula de velocidad fija. Pero si uno acepta una 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 aparición en la teoría de transform aciones de D irac, en diciem bre de Í926, que fue una im portan te referencia para el princip io de incertidum bre posterior. D irac concluía: «No se puede responder a cualquier p regunta sobre teoría cuántica que haga referencia a valores num éricos tan- to para la qro [posición] y p ro [m om ento] [...] [Si] se describe el estado del sistem a en u n tiem po arb itrario dando valores num éricos a las coordenadas y m om entos, entonces no se puede en realidad constru ir una correspondencia única entre los valores de estas coordenadas y m om entos en el m om ento inicial y sus valores en u n tiem po posterior» (Kragh 1990, p. 42).

Heisenberg se benefició de debates con D irac, Jordán y Pauli, pero fueron sobre todo sus debates con Bohr sobre los fúndam entos de la m ecánica cuántica lo que le lie-

Implicaciones filosóficas de la mecánica cuántica 201

varón a la form ulación del principio de in ^ r tid u m b re . C uando Hei$enberg presentó $٧ p rim era versión del artículo sobre incertidum bre a Bohr, no fue del agrado del físi- co danés. «Señaló que ciertas afirm aciones en la prim era versión todavía ten ían un ftindam ento incorrecto, y com o él siem pre insistía en una im pecable claridad en cada detalle, estos pun tos le ofendieron profundam ente», recordaba Heisenberg. «Tras varias sem anas de discusiones, no desprovistas de estrés, concluim os pronto , con ظ fundam ental ^ r t ic ip a c ió n de O skar Klein, que realm ente queríam os decir lo m ism o, y que las relaciones de incertidum bre eran sim plem ente un caso especial de un princi- pió de com plem entariedad más general» (W heeler y Zurek 1983, p. 57).

El artículo de H eisenberg se caracterizaba p o r el m ism o tipo de argum entos positl· vistas que sirvieron de m otivación para su artículo de 1925, en el que se in trodujo la m ecánica cuántica p o r vez prim era. Su pun to de partida era claram ente filosófico: «Si se quiere dejar claro qué se quiere decir con las palabras “posición de un objeto”, por ejem plo de u n electrón [...] entonces se tienen que describir experim entos concretos m ediante los cuales se puede m edir “la posición de u n electrón”; en caso contrario este térm ino no significa nada en absoluto». Es im portan te n o ta r que H eisenberg no for- m uló las relaciones de incertidum bre com o una doctrina filosófica, sino que las d e r؛- vó de la m ecánica cuántica e ilustró su im portancia m ediante experim entos im agina- rios. Eran (y son) consecuencias de la m ecánica cuántica, no el fundam ento conceptual de la teoría. Heisenberg m ostró que la indeterm inación m ín im a en la posición de una partícula está relacionada con la indeterm inación en el m om ento m ediante la expre- sión A،jAp = h/4ir. Tam bién m ostró que existe una relación de correspondencia entre la incertidum bre en m edir la energía de alguna cantidad y la correspondiente incertidum bre en ظ m edida del tiem po: A E A t > h.

Las relaciones de Heisenberg se asum ieron, se discutieron y se in tentaron generalizar o m odificar por m uchos físicos, incluyendo a Schródinger, Edward C ondon y Ho- ward Robertson. Robertson, u n fisico de Princeton más conocido por su trabajo en eos- mología, p robó una versión más general de las relaciones de incertidum bre, válida para cualquier par de variables conjugadas, en 1929. Según el pun to de vista de Heisenberg y de ظ mayoría de los dem ás físicos, las relaciones de incertidum bre involucraban necesariam ente el p roducto de dos ؛ncertidum bres: una de las cantidades (digamos و ) po- dría perfectam ente estar determ inada con precisión, pero entonces la o tra ip) estaría totalm ente indeterm inada. D urante los intentos de m ejorar y generalizar las relaciones de incertidum bre, esta im agen fue cuestionada po r varios físicos, que argum entaban que,

" de ط incertidum bre de una de las variables, la o tra no podía enningún m odo ser m enor que cierto valor. A rthu r Ruark en los Estados Unidos y Henry F lint en In g la terra abogaron en 1928 p o r este p u n to de vista; los dos p ropu sie ro n وح = h/mc. Esta relación y el tiem po m ínim o correspondiente A i = h/tnc2 d isfrutaron de considerable reputación duran te 1928 y 1936, cuando recibió el apoyo de autoridades com o ?auli. De Broglie y Schródinger, adem ás de ciertos físicos m enos em inentes. Sin embargo, la idea no condujo a aplicaciones físicas interesantes y a finales de los trein ta la m ayoría de los físicos la había abandonado para volver a la imagen convencional.


D ado que las relaciones de incertidum bre se seguían de la m ecánica cuántica, fueron aceptadas p rácticam ente p o r todos los físicos, ?ero una cosa era aceptar las m ate- m áticas y o tra m uy d istin ta ponerse de acuerdo sobre el significado y sus im plicaciones filosóficas. ¿Qué quería decir realm ente la aparen tem ente inocente expresión A qA p سم/أا = C om o Heisenberg dejó claro en su artículo de 927 ؛ , p o r lo p ron to sig- n iñeaba que el concepto clásico de causalidad debía abandonarse; no porque fuera ile- gítim o inferir de una causa presente un efecto firturo, sino porque un sistem a físico no podía definirse con precisión jam ás. D ado que podem os conocer el presente sólo dentro de las lim itaciones im puestas p o r ط m ecánica cuántica, de igual m odo podem os conocer el figuro sólo im precisam ente. «Dado que todos los experim entos obedecen a las leyes cuánticas y, com o consecuencia, las relaciones de incertidum bre, lo incorrec- to de la ley de causalidad es una consecuencia bien establecida de la m ism a m ecánica cuántica», argum entaba Heisenberg. «Tampoco en princip io podem os conocer el presente con todo detalle. Por esta razón, todo lo observado es u n a selección de una m uí- titu d de posibilidades y u n a lim itación de lo que es posible en el futuro» (W heeler y Zurek 1983, p. 83). Por supuesto, uno podría im aginar que el fu tu ro fuera causal a cier- to nivel m ás pro fundo y que la causalidad estuviera confinada sólo al m undo de los fe- nóm enos. Pero desde el p u n to de vista positiv ista de H eisenberg, esta objeción no suponía diferencia afguna: «Estas especulaciones nos parecen, para decirlo explícita- m ente, sin valor ni sentido, ya que la física debe confinarse a la descripción de las CO-

rrelaciones entre percepciones». Sin em bargo, las relaciones de incertidum bre no pro- híben necesariam ente el determ inisnro estricto y la causalidad. D uran te los años trein ta, la cuestión todavía era discutida por m uchos físicos y filósofos, y es una cues- tión que es todavía objeto de discusión m ás de setenta años después de que Heisenberg propusiera su principio.

Si bien el principio de incertidum bre de H eisenberg es una consecuencia de la m e- cánica cuántica, el princip io de com plem entariedad de Bohr no lo es. Es una doctrina considerablem ente más am plia y m enos definida con propiedad, de una naturaleza ^ in c ip a lm e n te filosófica. Hay pocas dudas de que la form ulación del principio debe m ucho al trabajo de H eisenberg con incertidum bres cuánticas, pero la idea de com - plem entariedad no era u n a m era generalización filosófica del princip io de Heisenberg. Se originó a p a rtir de reflexiones sobre teoría cuántica que B ohr m editó antes de que H eisenberg presentara su trabajo. Bohr presentó sus ideas sobre * p or prim era vez en un congreso in ternacional de física en C om o en o toño de 1927, conm em orando el centenario de la m uerte de Volta. En esta ocasión, enfatizó que en el m undo cuántico, al contrario que en el clásico, no puede realizarse nunca una ob- servación de un sistem a sin alterarlo. Pero, ¿cómo podem os llegar a conocer entonces el estado del sistema? El postu lado cuántico parecería im plicar que la d istinción clási- ca entre observador y lo observado ya no sería sostenible. ¿Cómo sería entonces posible ob tener un conocim iento objetivo? Las reflexiones de Bohr sobre estas cuestiones y o tras relacionadas le llevaron a la in troducción de la noción de com plem entariedad, deno tando el uso de pun tos de vista com plem entarios pero m utuam ente excluyentes


en la descripción de la naturaleza. Dos años después, definiría el princip io de com ple- m entariedad com o «un nuevo m odo de descripción [...} en el sentido de que cualquier aplicación dada de conceptos clásicos im pide el uso sim ultáneo de otros conceptos clá- sicos que, en u n a conexión diferente, son igualm ente necesarios para 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 com plem entariedad, u n a doctrina no toriam ente vaga y am bigua. La des- cripción ondu lato ria y la basada en partículas son com plem entarias, y p o r tan to están en conflicto, ?ero Bohr argum entaba que el físico todavía es capaz de dar cuenta sin am bigüedades de sus experim entos, ya que es él quien escoge qué m edir y destruye así la posibilidad de la m aterialización del aspecto conflictivo. De acuerdo con Heisenberg, Bohr enfatizó que el objetivo de la física era predecir y coord inar resultados exper؛- m entales, no descubrir la realidad tras el m undo de los fenóm enos. «En nuestra des- cripción de la naturaleza», escribió en 1929, «el p ropósito no es desvelar la verdadera esencia de los fenóm enos, sino sólo seguir la pista, tan lejos com o sea posible, a las relaciones entre los m últiples aspectos de nuestra experiencia» (H eilbron 1985, p. 219).

A unque la dualidad onda-partícu la es el ejem plo habitual de com plem entariedad, para Bohr y sus discípulos el princip io tenía un significado m ucho más am plio. Bohr p ron to lo aplicaría a o tras áreas de la física, desde cuestiones biológicas, a psicología y cuestiones culturales generales. ?٠٢ ejem plo, en el Congreso In ternacional de Ciencias A ntropológicas y Etnológicas en 1938, Bohr explicó que las em ociones y las percepciones de las m ism as están en una relación de com plem entariedad análoga a la de las m edidas en física atóm ica. O tros físicos asociados al p rogram a de C openhague ftreron incluso m ás allá. Jordán, en particular, extrapoló la com plem entariedad a áreas de psi- cología, filosofía y biología de una m anera tan exagerada que un avergonzado Bohr tuvo que enfatizar que el concepto no tenía nada que ver con el vitalism o y no debía tom arse com o una defensa ni del antirracionalism o ni del solipsismo. La extrem a ؛٨ - terpretación de Jordán del proceso de m edidas incluía que las observaciones no sólo pertu rbaban la cantidad m edida sino que, literalm ente, la producían . «Nosotros mis- m os producim os los resultados de la m edida», enfatizó en 1934 (Jam m er 1974, p. 161).

El p rincip io de com plem entariedad se convirtió en la p iedra angular de lo que más tarde se denom inaría la in terp retación de C openhague de la física cuántica, ?au li lie- gó a declarar que la m ecánica cuántica podría llam arse «teoría de la com plem entariedad», en analogía con la «teoría de la relatividad». Y Peierls afirm aría m ás adelante que «cuando te refieres a la in terp retación de C openhague de la m ecánica lo que quie- res decir en realidad es m ecánica cuántica» (W hitaker 1996, p. 160). Sin em bargo, definir exactam ente la in terp retación de C openhague no resulta m ás claro que definir la naturaleza del p rincip io de com plem entariedad m ism o, lo cual significa que no está m uy claro. Es un asunto todavía d iscutido en tre filósofos y algunos físicos con incli- naciones filosóficas. De hecho, el té rm in o «in terpretación de Copenhague» no se u ti- lizaba en los años tre in ta sino que ingresó en el vocabulario de los físicos en 1955, cuando H eisenberg lo utilizó al criticar ciertas in terpretaciones poco ortodoxas de la m ecánica cuántica.


M uchos de los físicos im portan tes de los años trein ta, incluyendo a Pauli, ileisen- berg, Jordán y Rosenfeld, se hicieron entusiastas partidarios de la filosofía de cóm ale- m entariedad de Bohr, que consideraban el genuino núcleo conceptual de la mecánica cuántica. Es notable que casi todos los físicos que adoptaron explícitam ente el pun to de vista de Bohr tenían contactos personales con él y habían sido visitantes de su institu to . Fuera del círculo de C openhague, la recepción de la filosofía de la com plem entariedad fue considerablem ente más fría, o bien am ablem ente indiferente o, en unos casos aislados, hostil. D irac, que tenía cercanas conexiones con los de Copenhague y gran respeto hacia Bohr, no vio sentido alguno a tan ta discusión sobre com plem entariedad. No p roporcionaba nuevas ecuaciones y no se podía utilizar para los cálculos que Dirac tendía a identificar con ظ física (véase tam bién el capítulo 11). Tampocoê con- v irtieron todos los estudiantes del institu to de Bohr a la filosofía de la com plem entariedad. Considérese el caso de C hristian M oller, que estudió en el institu to entre 1926 y 1932 y que se quedó allí du ran te toda su vida activa. A unque M oller era u n típico producto de la escuela de Copenhague y estaba fuerte!nente influido por su espíritu de trabajo, los argum entos de com plem entariedad no dejaron n inguna traza en sus obras publicadas. Los argum entos le resultaban familiares, p o r supuesto, pero no estaba particu larm ente interesado en los am plios problem as conceptuales subrayados p o r Bohr. C om o recordaba en una entrevista de 1963, «aunque escuchábam os cientos y cientos de charlas sobre estas cosas [la com plem entariedad y los problem as de la m edida], y estábam os interesados en ello, no creo, salvo quizá Rosenfeld, que ninguno invirtiéra- m os m ucho tiem po en esto [...] C uando eres joven, es más interesante atacar problemas definidos. Q uiero decir, esto era dem asiado general, casi filosófico» (Kragh 1992, p. 304).

Ésta era tam bién la actitud de m uchos físicos cuánticos jóvenes, sobre todo en los Estados Unidos, donde la reputación de Bohr de sabio cuántico era m ucho m ás limi- tada que en Europa. Los problem as «casi filosóficos» no se consideraban atractivos. Los físicos estadounidenses ten ían una ac titu d m ás p ragm ática y m enos filosófica hacia la física que m uchos de los asociados de Bohr. Se enfocaban en experim entos y cálcu- los específicos y para estos propósitos el princip io de com plem entariedad no les servía. Esto no quiere decir que no hubiera interés en problem as ftrndam entales entre los estadounidenses, sólo que iba en otras direcciones y tenía lugar en una escala m enos grandiosa que en D inam arca y Alemania. El princip io de incertidum bre fue asum ido con entusiasm o p o r varios físicos de Estado U nidos, incluyendo a K ennard, Ruark, Van Vleck, C ondon y R obertson, pero casi no m ostraron interés en la c o m p le m e n ta r ie d a d

de Bohr. Tam bién se puede ver en los libros de texto que em pleaban los estudiantes de teoría cuántica lo relativam ente m odesta que era la im portancia contem poránea del principio de com plem entariedad. La m ayoría de los autores de libros de texto, aunque

' con las ideas de Bohr, encontraban difícil incluir y justificar una secciónsobre com plem entariedad. De cuarenta y tres libros de texto sobre m ecánica cuántica publicados entre 1928 y 1937, cuarenta incluían u n tra tam ien to del principio de incertidum bre; sólo ocho m encionaban el princip io de com plem entariedad. A pesar del


hecho de que gran parte de ما $ f؛$ico$ اءل m undo no suscribieran la interpretación de " o, m ejor dicho, que no les im portara , la oposición contra ella fue débil ydispersa, ? o r las razones que fueran, a m ediados de los años tre in ta Bohr había obte- n ido u n éxito notable estableciendo la im agen de Copenhague com o la filosofía dom i- nante de la m ecánica cuántica.

Contra la interpretación de Copenhague

Quizá el episodio m ás famoso, y m ás idealizado, de la historia de la física del siglo XX es el debate entre Einstein y Bohr sobre la in terpretación de la m ecánica cuántica. Esta serie de discusiones socráticas entre dos proftrndos y legendarios c ie n tíf^ s -ñ ló so 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, ocupan un lugar en la h istoria intelectual occidental com parable a, digam os, la controversia entre N ew ton y Eeibniz hace unos trescientos años. Uno a veces tiene la sensación de que Bohr y Einstein m antuvieron continuas discusiones duran te la m ayor parte de dos décadas, a veces cara a cara. En realidad, los dos físicos se encon traron personalm ente sólo unas pocas veces, y la im portancia de sus discusiones se ha exagerado y m itificado en m uchos relatos del ú ltim o cuarto del siglo.

A unque la m ecánica cuántica estaba en deuda con las contribuciones fundanrenta- les de Einstein a la teoría cuántica de 1905 a 1925, al princip io Einstein no se interesó m ucho p o r la nueva teoría. Su actitud general era escéptica y negaba, sobre bases más filosóficas que científicas, que el m icrocosm os sólo pudiera describirse estadística- m ente. En una fam osa carta a Born de diciem bre de 1926, escribía sobre la «voz inte- rior» que le decía que la m ecánica cuántica «apenas nos acerca al secreto del Viejo [...]. Estoy convencido de que él no juega a los dados» (Jam m er 1974, p. 155). La insatisfac- ción de Einstein con la interpretación estadística dio lugar a u n artículo que presentó oralm ente a la Academ ia prusiana de las Ciencias a principios de 1927. El m anuscrito , titulado «¿Determ ina la m ecánica ondu lato ria de Schródinger el m ovim iento de un sistema com pletam ente o sólo en el sentido de Ja estadística?» esbozaba una especie de teoría de variables ocultas algo sim ilar a la teoría h idrodinám ica de M adelung. Pero puede que Einstein se diera cuenta de que su alternativa no era satisfactoria, ya que nunca envió el m anuscrito a publicar.

Einstein no participó en el congreso de Volta, pero estaba entre los participantes del qu in to Congreso de Solvay en octubre de 1927, donde Bohr, D irac, Heisenberg, Paul؛, Schródinger y otros físicos principales discutieron los fundam entos de la m ecánica cuántica. Bohr dio una clase sobre sus nuevas ideas de com plem entariedad, de las que Einstein oyó hablar p o r prim era vez. Einstein no quedó convencido y argum entó que la interpretación de B ohr-H eisenberg, según la cual la m ecánica cuántica es una teoría com pleta de procesos individuales, contradecía la teoría de la relatividad. D iscutió distin tos experim entos m entales con la esperanza de dem ostrar que las relaciones de incertidum bre no eran necesariam ente válidas y que los fenóm enos atóm icos podrían


analizarse en m ayor detalle que el que e$pec؛fieaban las relaciones de Heisenberg. C uando Bohr m ostró que los argum entos de Einstein eran insostenibles, a Einstein se le ocurrió un nuevo experim ento m ental, que Bohr de nuevo neutralizó. Según Bohr, la m ecánica cuántica (incluyendo las relaciones de incertidum bre) era una teoría total que com pletaba todas las posibilidades de explicación de los fenóm enos observables. No hay duda de que Bohr resultó el «ganador» de las discusiones de 1927 y de que la m ayoría de los participantes reconocieron la fuerza de sus argum entos. «Bohr [estaba] p o r encim a de todos», escribió Ehrenfest tras el congreso. «Fue un placer para m í el esta r presente duran te la conversación entre Bohr y Einstein. C om o un juego de ajedrez, Einstein todo el tiem po con nuevos ejem plos [...] Bohr saliendo de nubes de hum o fi- losóficas constantem ente en busca de las herram ientas con las que aplastar un ejem plo tras o tro . Einstein com o un resorte: saltando com o nuevo cada m añana. © ١٦, no tuvo precio. Fero estoy, casi sin reservas, a favor de Bohr y en contra de Einstein» (W hitaker

ول96,م 210.)Einstein adm itía que Bohr era listo discutiendo, pero no que sus pun tos de vista

fueran correctos. En una carta a Schrodinger m edio año después del Congreso de Sol- vay, Einstein describía sarcásticam ente la interpretación de Copenhague com o «la tranquilizan te filosofía ¿o religión? de H eisenberg-Bohr». Y añadía que «proporciona u na cóm oda alm ohada para el verdadero creyente, de la cual no es m uy fácil desper- tarlo» (Jam m er 1974, p. 130). La segunda ronda del célebre debate E instein-B ohr tuvo lugar du ran te la siguiente conferencia de Solvay, en octubre de 1930, en un m om ento en el que la idea de com plem entariedad de B ohr estaba ganando fuerza entre los físi- eos europeos. Esta vez, Einstein se centró en la relación de incertidum bre de energía y tiem po (A E A t > h), que in ten tó refutar. Su m anera de refutarla fúe la m ism a que la de tres años antes, u n experim ento m ental. En su nuevo experim ento, m ás tarde conocí- do com o el experim ento de la caja de fotones, Einstein utilizó la relación m asa-energía de la relatividad especial, E = me2, y argum entó que la energía de un fo tón y su tiem - po de llegada a u n a pantalla podían predecirse con precisión ilim itada, en contradic- ción con la relación de incertidum bre. Pero Bohr respondió brillantem ente al desafío, invocando esta vez la fórm ula del corrim ien to al rojo de la teoría general de la relatividad de Einstein. El resultado de la segunda ronda de debates fue el m ism o que el de la prim era: la concepción de la m ecánica cuántica de Bohr resultó fortalecida y el escepticism o de Einstein parecía injustificado. H asta entonces, Einstein había in ten tado re- ftrtar la m ecánica cuántica m ostrando que las relaciones de incertidum bre eran erró- neas; su creencia en la causalidad fundam ental perm aneció im perturbada, y en los años tre in ta trasladaría el enfoque de sus objeciones desde la inconsistencia hacia la incom pletitud.

El significado estadístico de la función ondu lato ria no excluye necesariam ente la posibilidad de que los sucesos atóm icos individuales estén determ inados p o r parám e- tros todavía no descubiertos. La hipótesis general de u n subnivel de parám etros bien definidos de este tipo tiene una larga h istoria en las ciencias físicas y se rem onta a antes de la m ecánica cuántica. Para m encionar un solo ejemplo, los in tentos a principios

Implicaciones filcsóficas de la mecánica cuántica 207

del siglo XX de explicar la radiactividad causalm ente utilizaron una versión de la hipó- tesis (véase capítulo 4). La posibilidad de «variables ocultas» se reconoció m uy p ron to en la m ecánica cuántica, pero dado que los hipotéticos parám etros no tenían signifi- cación física, no recibieron m ucha atención. Sin em bargo, era una posibilidad, y una atractiva, para aquellos a quienes la interpretación de Copenhague no agradaba. Si la m ecánica cuántica pudiera form ularse con variables ocultas y si reproducía todos los resultados de la teoría estándar, parecería no haber una poderosa razón para que los fí- sicos aceptaran la im agen de Copenhague del m undo atóm ico.

La cuestión de las variables ocultas era uno de los problem as exam inados po r el m atem ático húngaro-estadounidense John von N eum ann en un libro de 1932 titu lado M athematische Grundlagen der Quantenm echanik (Fundamentos matemáticos de la me- canica cuántica). Von N euniann p roporcionó u n a form ulación m atem ática precisa de los fandam entos de la m ecánica cuántica, basando la teoría en el uso de espacios de H ilbert. En u n trabajo de 1933, el físico francés lacques Solom on llegó independiente- m ente a la m ism a conclusión, que los parám etros son inconsistentes con el form alis- ٥١^ aceptado de la m ecánica cuántica.

En una pequeña parte de su im portan te libro, Von N eum ann probó que una im a- gen causal de la m ecánica cuántica basada en variables ocultas n o es posible. Im agine- m os dos sistemas descritos p o r la m ism a función 4ا - M edidas idénticas conducirán en general a resultados distintos, lo cual, según la in terpretación estándar, es debido a que ط m ecánica cuántica es acausal. Pero ¿no podría explicarse si los dos sistemas difirie- ran en algunos parám etros ocultos que determ inarían el resultado de las medidas? Lo que Von N eum ann p robó es que no era así. Según Von N eum ann, «no es p o r tanto, com o m uchas veces se supone, una cuestión de r^n te rp re tac ió n de la m ecánica cuán- tica: el sistem a actual de la m ecánica cuántica tendría que ser objetivam ente falso para que firera posible o tra descripción de los procesos elem entales d istinta de la estadísti- ca» (Pinch 1977, p. 185). Por o tro lado, Von N eum ann adm itía la ligera posibilidad de que ط m ecánica cuántica fuera errónea. D ado que era una teoría física, no podía probarse m atem áticam ente: «Por supuesto, sería una exageración m antener que nos he- m os librado de la causalidad [...] A pesar del hecho de que la m ecánica cuántica está en buen acuerdo con los experim entos, y de que nos ha abierto una parte del m undo cualitativam ente nueva, uno nunca puede decir de la teoría que está probada p o r la experiencia, sino sólo que es la recopilación m ejor que se conoce de la experiencia» (Jam- m er 1974, p. 270).

A pesar de las palabras de precaución de Von N eum ann, su p rueba m atem ática se aceptó am pliam ente y a veces se tom ó com o prueba de la in terpretación de C openhague. Existían, de hecho, considerables diferencias entre la posición de Bohr y la Ínter- pretación de Von N eum ann, pero raras veces se señalaban las distinciones. Por ejem- pío, «el problem a de la m edida» no era el m ism o para Bohr y para Von N eum ann. Bohr tendía a verlo com o un problem a a la hora de generalizar el m arco clásico para evitar contradicciones entre dos conceptos clásicos m utuam ente incom patibles, am bos necesarios en la ' de los experim entos. Su solución era la com plem entariedad.


Para Von N eum ann, p o r o tro lado, el problem a de la m edida signifieaba el problem a m atem ático de p robar que el form alism o predecía lo m ism o para distintas colocacio- nes del «corte» entre el observador y el objeto. £1 papel de la conciencia hum ana en el proceso de m edida era parte de la discusión cuántico-fílosófica en los años trein ta. Von N eum ann argum entaba que el elem ento de la conciencia no podía excluirse y, en un m onográfico de 1939, Fritz London y E dm ond Bauer sostuvieron " quela reducción de la función ondu lato ria era el resultado de una actividad consciente de la m ente hum ana. «Parece com o si el resultado de una m edida estuviera íntim am ente ligado a la conciencia de la persona que lo realiza, y com o si la m ecánica cuántica nos llevara así hacia u n com pleto solipsismo», escribieron, sólo para argum entar que el nuevo papel de la conciencia observadora no destruía la objetividad después de todo. Bajo un espíritu positivista, hicieron no ta r con satisfacción que nada en la situación de la m edida nos «im pediría predecir o in terp re tar resultados experim entales» (W heeler y Zurek 1983, p. 258).

£s debatible cóm o de grande fue el papel que la p rueba de ' de VonN eum ann desem peñó en el proceso que condujo a la hegem onía de C openhague, ya que la m ayoría de los físicos ya creía que existían buenas razones em píricas para apoyar ظ postu ra de Bohr y sus aliados. Por o tro lado, la au to ridad m atem ática de Von N eum ann ayudó m ucho al proceso y se hacía referencia a su p rueba com o la últim a palabra sobre el asunto. Casi n ingún físico se em barcó en u n estudio crítico de la prueba, y m uchos de los físicos que se referían a ella probablem ente sólo la habían hojeado (o sólo habían oído hablar de ella: hasta 1955 el libro de Von N eum ann existía sólo en alem án). Los pocos filósofos que ten ían la com petencia y el valor de criticarla no fueron tom ados m uy en serio. Tan sólo en los años cincuenta, cuando se revítalizó el debate sobre las variables ocultas, el argum ento de Von N eum ann pasó a ser objeto de un exam en crítico. Resultó entonces, com o m ostró el físico británico John Bell a m ediados de los sesenta, que la pretendida prueba de Von N eum ann no elim inaba, de hecho, todas las teorías que operaran con parám etros ocultos. Bell, que desem peñó un papel principal en el debate sobre la interpretación de la m ecánica cuántica, se inspiró en la teoría de Bohm y estaba en general a favor de las teorías de variables ocultas.

¿Es completa la mecánica cuántica?

Tras su «derrota» en 1930, Einstein con tinuó pensando profundam ente sobre la si- tuación epistem ológica en la m ecánica cuántica, convencido de que debía ser posible una descripción causal y exacta de los fenóm enos naturales. En la prim avera de 1935, ya instalado en los £stados U nidos, £instein publicó, ju n to con sus jóvenes colegas de Princeton Boris Podolsky y N athan Rosen, u n breve pero fam oso artículo titulado «¿Puede considerarse com pleta la descripción m ecánico-cuántica de la realidad físi- ca?». La versión final del artículo fue escrita p o r Podolsky y form ulada en u n a m anera que Einstein no aprobaba to talm ente. Los tres autores em pezaban sosteniendo que los conceptos físicos deberían corresponder a aspectos de la realidad física. Su criterio de

lmpl؛cac؛ones filosóficas de la mecánica cuántica 209

realidad era éste: «Si, sin pertu rb ar de ninguna m anera u n sistema, podem os predecir con certeza (es decir, con probabilidad igual a uno) el valor de u n a cantidad física, entonces existe un elem ento de realidad física que corresponde a esta cantidad física». La correspondencia conducía a una condición necesaria para la com pietitud de una teo- ría física: «Cada elem ento de la realidad física debe tener una parte correspondiente en la teoría física». Einstein, Podolsky y Rosen (EPR) ahora argum entaban que la mecá- nica cuántica com binada con el criterio de realidad conducía a una contradicción y que la única alternativa era aceptar que una descripción m ecán io -cu án tica de la realidad no es com pleta. El argum ento del artículo EPR era esencialm ente negativa, en sentido de que se propon ía debilitar la im agen estándar de la m ecánica cuántica sin p roponer una alternativa. En su conclusión, Einstein y sus colaboradores «dejaban ab ierta la cuestión de si existe o no una descripción tal [com pleta]», añadiendo, «creemos, sin em bargo, que una teoría así es posible» (W heeler y Zurek 1983, pp. 138-141).

Bohr quedó m uy pertu rbado por el argum ento EPR y em pezó enseguida a desarrollar un argum ento en contra, que tuvo listo tras un periodo de unos cinco meses (en el caso de Bohr, u n pensador m etódico, esto era rápido). Su línea argum ental principal era un rechazo del criterio de realidad física propuesto po r Einstein, Podolsky y Rosen. En su opin ión , el criterio era inválido porque presuponía que el objeto y el aparato de m edida se podían analizar p o r separado; esto no era posible según el pun to de vista de C openhague, en el que form aban un único sistema. 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 ظ expresión «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 úl- tima fase crítica del procedimiento de medida. Pero incluso en esta fase existe esencialmente la cuestión de una influencia sobre las condiciones mismas que definen /٠؟ tipos posibles ،ءا predicciones 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 ar- gumentación de los autores mencionados no justifica su conclusión de que ظ descripción mecánico-cuántica es esencialmente incompleta, (ibid., p. 148, cursiva en el original)

M ientras que el argum ento EPR se hizo extrem adam ente fam oso en los años sesenta y posteriorm ente, en los años tre in ta esta tercera ronda del debate Bohr-Einstein no suscitó gran interés entre los físicos. El artículo EPR no tuvo éxito para convencer a los físicos de que abandonaran la in terpretación de C openhague, y la im presión general era la de que Bohr había respondido de nuevo satisfactoriam ente a las objeciones de Einstein. Sim plem ente, confirm ó a los físicos cuánticos ordinarios lo que $؛em - pre habían pensado: que Einstein y sus aliados («los viejos y conservadores caballeros», com o Pauli los describió en una carta a Schródinger) estaban irrem ediablem ente fue


ra de onda con el desarrollo. La gran mayoría de los físicos parece haber estado sim- plem ente poco interesada, ?od ian encon trar fácilm ente cosas más útiles que in ten tar en tender argum entos filosóficos sin relevancia para su labor diaria com o físicos.

Los físicos m ás inclinados hacia la filosofía, sin em bargo (entre ellos, Schrodinger), se interesaron m ucho p o r la discusión E?R. En unas contribuciones en 1935, el padre de la m ecánica ondu lato ria apoyó el pun to de vista de Einstein y desarrolló sus propias objeciones a la postura de Bohr sobre la teoría cuántica. En una de estas contribuciones, propuso u n argum ento, distinto del de E?R, contra la com p[et؛tu d de la m ecánica cuántica. C om o es bien conocido, ilustró su argum ento m ediante u n experim ento m ental que involucraba a un pobre gato confinado en una cám ara con una cantidad de m aterial radiactivo y un instrum ento diabólico que, al dispararse po r una desinte- gración, liberaría vapores m ortales de cianuro. La paradójica conclusión de Schródin- ger era ésta: «Si se ha dejado todo este sistem a solo duran te una hora , se puede decir que el gato todavía vive si duran te este tiem po ningún á tom o se ha desintegrado. La prim era desintegración atóm ica lo hubiera envenenado. La función لبا de todo el siste- m a expre،saría esto incluyendo al gato vivo y al m uerto (perdón po r ظ expresión) mez- ciado o repartido en partes iguales» (W hitaker 1996, p. 234). Si se seguía de la Ínter- prefación de Copenhague que u n gato estaría «m edio m uerto» y recibiría una ftrnción de o n d a تال (لبا٠٧̂ = gat0؟4 + ^ mu،؛rt0), ¿no indicaría esto que debería preferirse o tra in- terpretación? La paradoja del gato de Schródinger se hizo inm ensam ente popu lar a p artir de 1970 aproxim adam ente, llegando hasta las camisetas de escolares y m uchos otros lugares, pero en los años tre in ta no suscitó m ucho debate. Bohr no respondió, quizá porque encontró sus prem isas m uy evidentem ente fallidas. Después de todo, se- gún su pun to de vista, a u n cuerpo m acroscópico com o el de un gato, o una botella con cianuro, no podía asignársele una función ondulatoria. D entro del m arco de la inte- prefación de C openhague, no había paradoja que resolver. Tam poco parece que Schro- dinger haya considerado la paradoja del gato nada paradójica. La describió com o «un caso bastante ridículo» y consideró que su lección era u n aviso en contra de la ingenua aceptación de u n «m odelo borroso» para representar la realidad. C om o señaló: «En sí m ism o [el ejem plo del gato] no en trañaría nada poco claro ni contradictorio . Existe una diferencia entre u n a fotografía m ovida o desenfocada y una im agen de nubes y bancos de niebla» (ibid.).

C A P ÍTU LO 15

El sueño de Eddington y otras heterodoxias

La física en los años treinta no fue una cadena ininterrum pida de nuevos descubrim ientos y avances teóricos que condujeran a una com prensión superior y más correcta del m undo cuántico. Al m ism o tiem po que la física nuclear florecía y los m uchos problemas de la teoría cuántica finalmente daban lugar al progreso, se invertía m ucho trabajo en p ro gramas de investigación alternativos. Algunos de ellos eran m uy ambiciosos y tenían com o objetivo la form ulación de lo que habría sido, efectivamente, una nueva funda- m 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. Aunque fueran m uy diversos, m u chos de ellos tenían en com ún que la física se conectara íntim am ente con la cosmología. A escala filosófica, tenían una clara orientación hacia el racionalismo y razonam ientos apriorísticos. La tendencia era principalm ente un fenóm eno británico; aunque inspiró a varios físicos en Europa y Norteam érica, sólo tuvo im portancia duradera en Gran Bretaña. Los intentos de establecer una cosmofísica fallaron, y hoy en día se han olvidado casi totalm ente. Así que, ¿por qué prestarles atención? En prim er lugar, esta atención supone un saludable antídoto contra la concepción lineal y simplista del progreso científico. D urante cada periodo de la historia de la ciencia, la física ordinaria se ha visto desafiada por 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 equivocaciones. En segundo, algunos de los enfoques y objetivos de la fallada revolución cosmofísica de los años treinta continuaron desem peñando un papel en el periodo de posguerra y son todavía interesantes para algunos físicos y astrónom os m odernos.

El fundamentalismo de Eddington

A rthu r E ddington era no sólo uno de los m ás em inentes astrónom os teóricos del m undo, sino tam bién un pionero en cosm ología y u n a au toridad en teoría general de la relatividad (y, adem ás, un exitoso au to r de exposiciones populares de ciencia y filo


sofía). Su fascinación con la teoría de Einstein le había convencido de que el m étodo del cálculo tensorial (el m étodo m atem ático de la relatividad general) era la única m a- ñera de estudiar la física en su nivel más fundam ental. Q uedó p o r lo tan to m uy pertu rbado cuando se dio cuenta que la ecuación de D irac de 1928 para el electrón no estaba expresada en form a tensorial, y decidió generalizar y re in terpretar la ecuación. Eos in tentos de form ular la ecuación de D irac dentro del m arco m atem ático de ظ teoría de la relatividad general fireron com unes entre los físicos m atem áticos alrededor de 1930, pero el de Eddington era un pu n to de partida para una teoría más grandiosa de todo el m undo de la física. Le inspiró a desarrollar un nuevo tipo de teoría física radical- m ente nuevo y a em barcarse en un program a que proseguiría hasta su m uerte en 1944.

Según Eddington, un electrón no podía considerarse una partícula individual, sino que debía describirse en conexión con todos los otros electrones del universo, una im a- gen que abría lo que él consideraba una p rofunda conexión entre la m icrofísica y la cosmología. Siguiendo el cam ino de unificacionistas previos, uno de los objetivos de Eddington era reducir las contingencias en la descripción de la naturaleza, por e¡em- pío, explicando las constantes fundam entales de la física en vez de aceptarlas com o datos m eram ente experim entales. U na de estas constantes era la constante de estructura fina hc/e2, que aparecía de m anera p rom inen te en la teoría de D irac y cuyo valor se sa- bía cercano a 1/137. O tra constante adim ensional que se pensaba de im portancia fundam ental alrededor de 1930 era la razón de masas entre los dos bloques constituyentes de la m ateria, el p ro tó n y el electrón (M /m = 1838). E ddington argum entaba que se podía deducir que el valor del inverso de la constante de estructu ra fina sería el nú- m ero entero 136. En 1936, después de que los experim entos m ostraran que el valor estaba próxim o a 137, p rodujo argum entos de que el núm ero debía increm entarse en una unidad. En cuanto a la razón de masas pro tón /electrón , sugirió que este núm ero era la razón entre las soluciones de la ecuación cuadrática para las masas 10m2 -136m + 1 = 0 . M ientras que estos núm eros son pequeños y no están conectados directam ente con el universo en general, Eddington sugirió que las constantes de la naturaleza po- dían tam bién estar relacionadas con m agnitudes cosmológicas, la más im portan te de las cuales era, en su opin ión , el «núm ero cósmico». Este núm ero , N, es el núm ero de electrones (o protones) en la porción observable del universo, aproxim adam ente 1079. El núm ero se puede estim ar a p a rtir de la densidad m edia del universo, pero Eddíng- to n sostenía que era capaz de deducirlo de su teoría, com o N = 2 x 136 X 2256 = 3,15 X

وص . Además, argum entaba que estaba relacionado con otras constantes de la naturaleza m ediante fórm ulas com o Tíe2/G m M = (3 N )I/2, siendo G la constante de gravita- ción universal de Newton.

El m étodo de E ddington para derivar la relación entre constantes cósmicas y ató- micas cam bió según su p rogram a de investigación avanzaba, y tam bién los resultados que obtuvo, pero no dem asiado. En 1936 com piló y elaboró sus resultados en Relati- vity Theory ofElectrons and Protons, un trabajo que era tan señaladam ente am bicioso com o fallido. Según Eddington, u n conocim iento adecuado del universo (en sus dos aspectos, m icroscópico y cósm ico) requería necesariam ente de la extracción del signi-

El sueño de Eddington مر otras heterodoxias 213

ficado de las constantes fundam entales, com o ظ carga elem ental, la constante de Planck, las masas del electrón y del p ro tón , la constante ^ v i t a to r i a , la velocidad de ؛a luz y el núm ero cósmico. A sociando deliberadam ente su postu ra con los 'tos de Pitágoras y Kepler, escribió en 1935: «Debemos así contem plar el universo com o una sinfonía in terpretada sobre siete constantes prim itivas, com o m úsica interpretada sobre las siete notas de una escala» (Kragh 1982a, p. 82). £1 núcleo del p rogram a de Ed- d ington era su in ten to de deducir los valores num éricos de com binaciones ^ im c n s io - nales de constantes naturales a p a rtir de consideraciones epistem ológicas y conectarlas con el gran núm ero definitivo, el núm ero cósmico.

Es im posible describir los m étodos de E ddington en pocas líneas. No sólo eran com plejos, sino que tam bién cam biaron según su investigación progresaba. Pero su firndam ento epistem ológico se m antuvo básicam ente igual. Este fundam ento era que la ecuación de D irac describe la relación estructural del electrón (o del p ro tón ) con todo el universo, en el sentido de que la ecuación de ondas del electrón y las ecuaciones de cam po de la relatividad general correspondientes al universo en expansión tienen validez sim étrica. La estructura , más que la sustancia, era la esencia de la física. Más generalm ente, E ddington creía que era posible ob tener conocim iento sobre las le- ves fundam entales de la naturaleza a p a rtir de las peculiaridades de la m ente hum ana.

Lodas las leyes de ظ naturaleza que se suelen clasificar com o fundam entales» escribió, -pueden predecirse to talm ente a partir de consideraciones epistemológicas. Corres- ponden a un conocim iento apri«rístico y son, por tan to , totalmente subjetivas» (ibid., p. 84; cursiva en el original).

El pu n to de vista de E ddington se ha categorizado com o «subjetivismo selectivo»: ط idea de que nuestro equipam iento sensorial e intelectual tiene u n efecto selectivo en el sentido de que determ ina en gran parte nuestro conocim iento del m undo natural. No negaba la existencia de u n m undo objetivo, pero lo identificaba con el m undo consciente y espiritual, no con el m undo fenom énico que los físicos estudiaban expe- ^m entalm en te. Si las leyes de la naturaleza son esencialm ente las construcciones sub- ,etivas de los físicos, quedaba poco espacio en la física fundam ental, o n inguno, para el m étodo e m ^ ic o -in d u c tiv o . Según Eddington, su teoría «no se apoya en [...] com probaciones experim entales. Es incluso más puram ente epistem ológica que ، ؛١ teoría m a- croscópica [...] D ebería ser posible juzgar si el tra tam ien to m atem ático y las soluciones son correctos, sin buscar la solución en el libro de la naturaleza» (ibid.).

El acuerdo con los experim entos no desem peñaba un papel im portan te para Ed- d؛ngton, pero p o r supuesto no podía ignorar del todo los avances en el ’ em píríco que tuvieron lugar en los años trein ta. Por ejem plo, había supuesto al princi- pió que las partículas elem entales incluían sólo electrones y protones, y cuando se descubrieron nuevas partículas (com o positrones y m esones), tuvo que incorporarlas de algún m odo en su sistema. Eso fúe lo que hizo, pero de u n m odo que era claram ente ad hoc y resultaba artificial para la m ayoría de los físicos. Sim i،arm ente, su uso de p rin - cipios m ecánico-cuánticos difería de la im agen o rd inaria de la m ecánica cuántica. Ed- dington se apoyaba en el princip io de incertidum bre de Heisenberg para argum entar


que la teoría cuántica im plicaba con^deraciones sobre el universo en su totalidad y que los objetos físicos aislados no tenían propiedades m ensurables; pero su uso del princi- pió de incertidum bre era exageradam ente distinto de la in terpretación habitual de la m ecánica cuántica. Lo m ism o se aplicaba al idiosincrásico uso de Pauli del principio de exclusión, sobre ظ base del cual in ten tó constru ir una teoría de todas las interacciones fundam entales.

E ddington desarrolló su sistem a «)smofí،s؛co en u n gran núm ero de artículos y libros, pero no consiguió convencer a m uchos otros físicos sobre su solidez. C on pocas excepciones, su teoría encontraba escepticism o o indiferencias. A final de su vida, se ocupó en escribir u n explicación com prehensiva y revisada de su teoría, pero m urió antes de com pletar la obra. El libro, titu lado Fundam ental Theory, fue publicado de m anera póstum a en 1946. A unque fue estudiado po r algunos físicos y filósofos, su ím- pacto fue lim itado. C om o versiones anteriores de la teoría de Eddington, tenía reputa- ción de ser difícil, idiosincrásico y oscuro, aunque tam bién fascinante. Los dos libros de 1936 y 1946 llegaron a ser famosos, pero más por su oscuridad que por sus m éritos científicos.

A pesar del fracaso de Eddington, su grandioso proyecto no dejó de tener implicaciones y tam bién contó con ciertos apoyos. Schródinger consideraba atractivo el enfoque de E ddington y, a finales de los años trein ta, lo asum ió vigorosam ente para constru ir una teoría unificada de la m ecánica cuántica y la cosm ología relativista. El objetivo de Schródinger era explicar la cuantizacíón en térm ino de las ecuaciones de cam po relativistas que gobiernan el universo y, en este sentido, dar p rio ridad a la teo- ría clásica de cam pos sobre las d iscontinuidades cuánticas. C om o escribió a S o m ie r - feld en 1937, «el m undo es finito y por tan to atom ístico; porque un sistem a finito posee frecuencias finitas propias. ¥ de esta m anera la teoría general de la relatividad da a luz a la teoría cuántica» (Rueger 1988, p. 395). A unque Schródinger no pudo completa r su estrategia de unificación, su in ten to le llevó a estudios pioneros sobre ondas cuánticas en m odelos de m undos cerrados, tan to estáticos com o en expansión. Entre otros resultados, halló que en un universo en expansión, existía la posibilidad de que se form aran partículas a p a rtir del vacío, Por aquel entonces, estos resultados y otros no fueron apreciados, pero en retrospectiva, m arcan el com ienzo de una línea de in- vestigación dedicada a la interacción de cam pos cuánticos y cam pos ^ av ita to rio s . Fue sólo m ucho después, en los años setenta, cuando esto tipo de estudio se reconoció com o un área interesante entre astrofísicos y especialistas en teorías cuánticas de la gravedad (véase capítulo 27).

cosmonumerología y otras especulaciones ا؛ا

E ddington no file el p rim ero en reclam ar atención sobre la posible significación de las com binaciones adim ensionales de constantes naturales, pero fue su trabajo en particular el que estim uló a m uchos físicos a que em prendieran investigaciones similares. Por ejemplo, considerem os al reputado físico alem án Reinhold Fürth, quien en 1929

El sueño de Eddington مل otras heterodoxias 215

utilizó su propia versión de la teoría de Eddington para deducir, de m anera puram ente teórica, que el cociente de masa$ pro tón /electrón era de 1.838,2. Además, sostuvo que la m asa del hipotético n eu trón (un sistem a m ixto p ro tón-electrón) podía cxpre- sarse con la fórm uia M n = 1616 ih c /uG )'12. Fürth era sólo uno de los m uchos físicos del { trio d o que se tom ó en serio tales argum entos num erológicos. O tros de los epígonos de E ddington se concentraron en la microfísica y núm eros pequeños, otros en cosm o- logia y núm eros m uy grandes, y m uchos in ten taron establecer relaciones num éricas entre m agnitudes atóm icas y cosmológicas. A rthur Haas, el físico austriaco-estadounidense que en 1 0 لو in trodu jera el cuanto de acción en la teoría atóm ica (capítulo 4), fue o tro prolífico eddingtoniano. En 1934 publicó D ie Kosmologischen Probleme der Physik Los problemas cosmológicos de la física) y dos años m ás tarde , tras dejar V iena po r

Estados U nidos, dedujo la m asa del universo a p a rtir de suposiciones básicas pero ar- b itr arias.

Los trabajos de Fürth y Hass son ejem plares de un tipo de especulación num eroló- p e a que disfrutó de cierta popu laridad en la década, pero la m ayor parte de los físicos corrientes se daban cuenta de que las coincidencias no ten ían fuerza explicativa y en consecuencia las ignoraron , o las ridiculizaron, com o hicieron H ans Bethe, G uido Beck

^ 'o lfgang Riezler en un artículo satírico en la revista alem ana Die Naturwissenschaf-de 1931. Los tres jóvenes físicos pretendían derivar la tem pera tu ra del cero ahsolu-

ص ه partir de la teoría de Eddington, com o TQ = - (2 /a —1) grados, donde a es ظ cons- :jn te de estructura fina. C om o com entaron jocosam ente, «insertando ٢ ٠ = -273°, :^ tenem os para 1/a el valor 137, en pcrfecto acuerdo dentro los lím ites de precisión con el valor obtenido p o r m étodos to talm ente independientes». C uando se descubrió que el artículo era una brom a, el ed ito r de la revista pidió disculpas po r los m alos m o- نقت es de los tres físicos y explicó que la parodia había «intentado caracterizar cierta cía- de artículos de física teórica en los años recientes que son puram حمق ente especulativos ٢ D iad o s en acuerdos num éricos espurios».

Sin em bargo, la distancia entre especulación e im aginación fructífera es a m enudo sirecha, y la num؛: erología al estilo de E ddington atrajo no sólo a físicos de segunda fila. Como veremos pronto , D irac creía que las coincidencias num éricas tenían u n profun- significado. En u ت-ت n artículo de 1929, Som m erfcíd, un físico que no se sentía atraído

د - ؛ a s especulaciones sin base, estim ó que la derivación de la constante de estructura ~ ~ A proporcionada p o r Eddington era «extrem adam ente bella y satisfactoria». O tros « n m en tes físicos, entre ellos Lewis, Landau, Gamow, Jordán y C handrasekhar, adm i- I í t> n una debilidad po r el tipo de razonam iento num erológico que E ddington culti- - دتئ , aunque n inguno de ellos aceptara su teoría.

La num erología no era la única form a de teoría especulativa que floreció en los ثئ : ق treinta. Por ejem plo, existía una trad ición m inoritaria , que se rem ontaba a m e-

-:--■4lis de los años veinte (y con raíces m ucho m ás atrás) que exam inaba la hipótesis يءه ؛ ^ c ío - t i e m p o continuo. Esta hipótesis adoptaba distintas form as, pero por lo ge-

كءت incluía la noción de una long itud m ín im a y la noción correspondiente de átom os -■=»—porales o duraciones m ínim as. Sobre 1930, varios físicos sugirieron la idea de ato-


m icidad tem poral y la utilizaron en sus in tentos de expliear fenóm enos en la radiaciór. cósm iea, el núm ero m áxim o de elem entos quím icos, los infinitos en ” 'cuántica y algunos o tros problem as. C om o se m encionó en el capítulo 13, De Broglie. Schródinger, Infeld, Pauli, Landau y Heisenberg, todos debatieron seriam ente la propuesta de que el espacio y el tiem po podian estar som etidos a incertidum bres cuánti- cas absolutas, que se suponían típ icam ente del tipo وم = h/m c y A í = h/m c ٩

O tros físicos m enos reputados publicaron teorías del espacio-tiem po discreto que. sin em bargo, establecían escasos contactos con la física experim ental o con los proble- m as teóricos de actualidad en la teoría cuántica. En algunos casos, estas te()rí؛rs se íns- p iraban en el in ten to de E ddington de establecer u n a teoría un itaria de lo m uy peque- ño y lo m uy grande. El in ten to más elaborado de form ular una nueva física basada en ظ noción de un espacio-tiem po discreto era quizá el del físico p o )^ )-es tad o u n íd en se Ludwik Silberstein, quien publicó un m onográfico sobre el asunto en 1936. Según Sil- berstein, todas las leyes de la física, incluyendo la teoría de la relatividad, perdían validez para intervalos tem porales del orden de 10 "؟؛ segundos. No pensaba que esto fuera problem ático ya que, com o escribió, «todos los físicos m odernos tienden a creer que nuestra física habitual, molar, incluyendo nuestros conceptos de espacio y tiem po, es inaplicable en estas circunstancias» (Kragh y Carazza 1994, p. 460). A unque la idea general de abandonar el espacio-tiem po con tinuo a distancias extrem adam ente peque- ñas no era extraña para los principales físicos teóricos de los años trein ta, pocos de ellos se tom aron la idea con seriedad. La hipótesis nunca se desarrolló en una teoría em píricam ente fructífera y perm aneció desconectada de la teoría fundam ental. Sin em bargo, ni el fundam entalísim o eddingtoniano 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, con tinuaron siendo cultivadas por una m inoría de físicos que no se amila- naron po r la larga sucesión de fracasos.

M ilne y la cosmofísica

Edward M ilne, un brillante astrofísico que fue investido catedrático de m atem ática aplicada en la Universidad de ftânchester a los 29 años y que trabajó desde 1929 com o catedrático en O xford, desarrolló su propio sistem a original de cosmofísica. En algunos aspectos, su sistem a difería m arcadam ente del de Eddington. Por ejemplo, m íen- tras que la unificación de la tísica cósm ica y la atóm ica estaba en el corazón del program a de Eddington, M ilne no encontraba estos in tentos de unificación interesantes ni útiles. Sin em bargo, en lo concerniente a los aspectos fundam entales del razonam ien- to científico legítimo, los dos sistemas tenían m ucho en com ún. A m bos eran grandio- sos y am biciosos proyectos de reconstrucción, más cerca de las Weltanschauungen que de las teorías físicas ordinarias. ¥ tan to Eddington com o M ilne argum entaban a favor del deductivism o, una especie de razonam iento sinóptico basado en principios aprio- rísticos, a p artir de los cuales las leyes de la naturaleza serían deducibles m ediante la in- ferencia racional. M ilne em pezó a desarrollar su teoría cosm ológica en 1933 y ط ex

El sueño de Eddington y otras heterodoxias 217

tendió gradualm ente para cubrir tam bién otros aspectos de la física. En 1948 propor- cionó u n a presentación com prehensiva de su teoría, pero por aquel entonces el interés en la teoría estaba en declive.

En op in ión de M ilne, la teoría general de la relatividad era m onstruosa, tan to m a- tem ática com o filosóficamente. Para él, el espacio no era un objeto de la observación sino un sistem a de referencia, y p o r tan to no podía tener estructura, curvada o no. En su sistem ática presentación de su teoría de 1935, Relativity, Gravitation and World- Structure, argum entaba que todas las leyes fundam entales de la ؛؛sica cósm ica podían deducirse a p a rtir de unos pocos principios, la m ayoría de los cuales podían obtenerse anaíizando los conceptos utilizados para o rdenar la experiencia tem poral y para CO-

m unicarlos m ediante señales ópticas. La física que resulta de estas consideraciones se- ría una «relatividad cinem ática», com o M ilne denom inó a su sistema, porque no involucraba una apelación inicial a suposiciones dinám icas o gravitatorias.

Los postulados básicos del sistem a del m undo de M ilne eran la constancia de la velocidad de la luz y el princip io cosmológico, según el cual el m undo es hom ogéneo e isotrópico a gran escala. Basándose en estos dos principios, y sin utilizar las ecuaciones de cam po de la relatividad general, M ilne derivó u n m odelo de u n m undo en expan- sión uniform e y tam bién halló que la constante gravitatoria de N ewton no era real- m ente constante. Según M ilne, se increm entaba lentam ente con el tiem po, en concre- to, G ~ t. Sin em bargo, el sentido físico de esta proporcionalidad no estaba m uy claro, ١· M ilne no creía que foera com probable. El m otivo es que la totalidad del sistem a de M ilne era absolutam ente c o n v e n c io n a lis ta y que aplicaba distintas escalas tem porales, cada u n a con sus propias im plicaciones físicas, pero todas convenciones que podían utilizarse, en principio, librem ente. Esta relación sería válida en el «tiem po cincm áti- co» (،·), pero no en el m arco tem poral habitual, new toniano ( t ) , que M ilne denom inaba «tiem po dinám ico». Las dos escalas tem porales estaban conectadas de m anera lo- garítm ica m ediante la regla T = log(í/í0) + í0, donde t0 significa el instante actual. De este m odo, en la escala tem poral dinám ica G se reducía a u n a constante y el universo perm anecía estacionario y tenía una edad pasada infinita. En cuanto a la pregunta sobre cuál de las escalas tem porales proporcionaba 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 «realnren- te ocurrido» una p regunta sin legitim idad científica.

El sistem a de relatividad cinem ática de M ilne difería claram ente de la física trad i- cional, no sólo en sus resultados sino tam bién en su m etodología, que era una peculiar mezcla de positivism o y racionalism o. Creía que el universo contenía u n núm ero infinito de partículas, pero se daba cuenta de que este resultado no era verificable y enfatizaba que su física cósm ica dependía en últim a instancia del razonam iento filosófico. Por ejemplo: «M ientras que es concebible que la observación podría verificar la existencia de un núm ero finito de objetos en el universo no es concebible que pueda verificar la existencia de un núm ero infinito. El filósofo puede reconfortarse con el hecho de que, a pesar de la m uy alabada influencia y dom inio de la observación y experi


m entó en la física ordinaria, la física cósm ica propone cuestiones de u n carácter ob؛e- tivo, no metafísico, que no pueden resolverse m ediante la observación sino que deben resolverse, en todo caso, m ediante la razón pura: la filosofía natural es algo m ayor que la totalidad de las observaciones concebibles». Y en 1937 escribió sobre su program a: «Mi propósito ha sido desarrollar las consecuencias [de m i teoría] sin recurrir a la experiencia, excepto a la existencia de u n a experiencia tem poral, una conciencia de una relación de antes y después, para cada observador individual» (Kragh 1982a, p. 78.. A unque el sistem a de M ilne se aplicaba principalm ente a la cosm ología, tam bién creía que le perm itía deducir la dinám ica, el electrom agnetism o, e incluso la teoría atóm ica a p artir de principios puram ente cinem áticos. Enfatizó que su enfoque deductivo contrastaba con el ordinario , em pírico-deductivo, y se oponía a los in tentos reduccionis- tas de en tender las leyes del universo en térm inos de teoría atóm ica. Fuera de la eos- m ología, sin em bargo, el in ten to de M ilne de reconstru ir la física resultó en un singular fracaso, y sim plem ente no fue tom ado en serio por sus colegas en física.

En jun io de 1938 una conferencia sobre «Nuevas teorías en física» tuvo lugar en Varsovia bajo los auspicios del Institu to In ternacional de la C ooperación Intelectual (una com isión bajo la Liga de las Naciones) y organizada en parte por la ICSU. Allí, los cosmofísicos se encon traron con sus colegas m ás ortodoxos. Bohr, Von N eum ann, De Broglie, Kram ers, Klein y briilouin proporcionaron inform es sobre varios aspectos de ظ teoría cuántica, que se incluyeron en los anales de la conferencia en 1939, Nuevas teo- rías en física. El inform e de E ddington 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 زب y el núm ero cósmico (3,145 X 1079), adem ás de relaciones num éricas com o N /R 2 = 50 m mcl'b h 2. La presentación m otivó objeciones p o r parte de Kram ers, Von N eum ann, Rosenfeld, B ohr y otros, n inguno de los cuales aceptaba el uso de la m ecánica cuántica de Eddington. El inform e de M ilne sobre «Un posible m odo de enfocar la dinám ica nuclear», leído en su ausencia por Charles D arw in, no fue m ejor aceptado. De acuerdo con Eddington, M ilne argum entaba que «la relación de cualquier partícula [elemental] dada con el resto del universo no puede ignorarse en tales discusiones [sobre la interacción entre partículas]» (p. 207). Al contrario que Eddington, M ilne sim plem ente ignoraba la m ecánica cuántica en su discusión de la dinám ica nuclear: «Incapaz de presentarm e a m í m ism o la me- cánica ondulatoria, el espín electrónico, etcétera, debe in ten tar en tender estos asuntos a m i m anera; el resultado es una reconstrucción parcial, aunque satisfactoria en mi opin ión , de ciertas porciones de la física sobre una base racional, una reconstrucción en la que cada ecuación es una proposición con contenido» (p. 219).

Si el heterodoxo sistem a de M ilne podía parecer el trabajo de un chiflado cuando se ve desde la perspectiva de la física cuántica, su reputación e im pacto fireron m uy diferentes en lo tocante a cosmologia. De hecho, M ilne fue probablem ente el cosmólogo más influyente de los años trein ta, y sus ideas fueron en gran parte las que establecieron la agenda para las discusiones sobre cosm ología teórica. De 1932 a 1940, aparecieron m ás de 70 artículos relacionados de un m odo u o tro con la teoría de M ilne, lo cual

El sueño de Eddington y otras heterodoxias 219

significa que la teoría tenía una posición predom inante en la época. A unque M ilne no estableciera u n a escuela de cosmofísica, varios de los m ás im portan tes teóricos de In- glaterra (y algunos en otros sitios) trabajaron en el área definida p o r las ideas de Mil- ne. Entre estos estaban G erald W hitrow, W illiam McCrea, A rthu r Walker y Georges McVittie, todos los cuales llevaron a cabo im portan tes trabajos en « أس( ،)logia y estaban p rofundam ente influidos p o r el sistem a del m undo de M ilne. Este sistem a tam bién fue de considerable im portancia para la teoría posterior del estado estacionario, pero tras la guerra perdió fuelle rápidam ente y, con la m uerte de M ilne en 1950, el interés en el sistema se agotó. La teoría de M ilne de la física cósm ica prosperó com o parte de un clim a intelectual global que era receptivo a este tipo de ideas, pero con el desplaza- m iento en el clim a intelectual tras la guerra, la teoría em pezó a parecer una curiosidad del pasado. Para M ilne, su sistem a del m undo no era sólo una teoría física, ni tam poco sólo u n a teoría filosófica: incluía tan to la tísica com o la filosofía, adem ás de la reli- gión. Gom o los cosm ólogos de las antiguas escuelas, creía que su sistema cosmológico, por sí solo, era capaz de p robar la existencia del Dios y C reador cristiano.

Los aristotélicos m©dern©$

En una breve no ta de 1937, claram ente inspirada po r Eddington y M ilne, D؛rac su- girió una reconsideración de la cosm ología basada en los grandes núm eros adim ensionales que pueden construirse a p artir de las constantes fundam entales de la naturaleza. El postu lado fundam ental de Dirac era la hipótesis de los grandes núm eros: que todos los grandes núm eros d m e n s io n a le s que se dan en la naturaleza están interco- nectados. O torgó u n significado particu lar a núm eros de órdenes de m agn itud وص y 1078 p o r la siguiente razón: con una un idad de tiem po dada p o r e2lmc?, la edad del ااا)آ - verso, que tom ó com o dos m il m illones de años, será aproxim adam ente وص , que es casi igual a la razón entre las firerzas electrostáticas y gravitatorias entre u n electrón y un pro tón , e1!G m M . Es decir, T/(e2lcm 3) - e1/G m M , siendo T e l tiem po de Hul)ble (la mversa del parám etro de H ubble). Si el acuerdo num érico es significativo y las cargas y masas no cam bian con el tiem po, que es lo que D irac suponía, se sigue que la «constante» gravitación؛)، decrece con el tiem po atóm ico según G ~ t \ Es decir, m ientras que M ilne sugería u n increm ento gradual, D irac m anten ía que la gravitación decrece- ría. D irac estaba de acuerdo con Eddington en que las regularidades exhibidas por los grandes núm eros adim ensionales no eran puram ente fortuitas, pero m ientras que Ed- d ington y la m ayoría de los dem ás creían que las constantes eran independientes de la expansión cósm ica (o del tiem po cósm ico), D irac las considerabas m agnitudes contingentes, dependientes de la h istoria del universo.

O tra consecuencia de la hipótesis de los grandes núm eros se derivaba de la constante p(cTy)/M , donde p es la densidad m edia de m ateria y c T = c/ H es el radio del ٧١٦؛ - verso observable, el radio de Hubble. D ado que el valor de la constante (que proporciona el núm ero de partículas en el universo) es del orden del núm ero cósm ico de Eddington 1078, y que éste es el cuadrado del periodo en el tiem po atóm ico, D irac con


cluía que el núm ero de partículas se increm entaría con el tiem po de acuerdo con la ley N ~ t 2. Ambas sugerencias (que la constante gravitatoria decreciera con el tiem po y la creación espontánea de m ateria) eran altam ente heterodoxas y estaban en conflicto con la teoría general de la relatividad. En el año siguiente, 1938, D irac decidió que la m ateria cósm ica se conservaba después de todo. Afirmó que la conservación de la materia se podía reconciliar con la hipótesis de los grandes núm eros y m antuvo la idea de una constante gravitatoria decreciente.

fia aventura cosmofísica de D irac tuvo poco im pacto inm ediato en la cosmología contem poránea. La m ayoría de los astrónom os y físicos recibieron la heterodoxa teo- ría de D irac con silencio, si no con vergüenza. Sin em bargo, a la larga las especulaciones de D irac resultaron ser má^ influyentes que la m uy discutida teoría de M ilne. El im pacto de la teoría que perduró , com o se vio m ucho después, era la m ism a hipótesis de los grandes núm eros, no la idea de una constante gravitatoria variable o el m odelo universal que p ropuso en particular.

La idea general de una in terconexión fundam ental entre las com binaciones grandes de constantes naturales resultó ser una fuente de continua fascinación en la eos- m ología y astrofísica de posguerra. U no de los pocos físicos que asum ió la idea de D irac en los años tre in ta fue Pascual Jordán, quien inm ediatam ente em pezó a desa- ¡-rollarla en una teoría más com prehensiva e in ten tó arm onizarla con la teoría general de la relatividad. En la versión de Jordán, no sólo deerecía la constante gravitatoria con el tiem po, sino que tam bién se creaba m ateria espontáneam ente, aunque de u n m odo que no violaba la ley de conservación de la energía.

Las teorías de Eddington, M ilne, Dirac, Jordán y o tros no fueron recibidas favorablem ente p o r aquellos científicos y filósofos que habían contem plado con creciente in- satisfaeción el auge de la cosmofísica racionalista. La m ayoría de los físicos corrientes preferían ignorar la m oda, pero en Inglaterra, su ú ltim o bastión, encontró una abierta hostilidad y causó una especie de K ulturkam pf a finales de los trein ta. H elbert Dingle, u n astrofísico y filósofa) de la ciencia, protestó enérgicam ente con tra la nueva «pseu- dociencia de la cosm itología invertebrada» y lo que consideraba los desequilibrados m étodos apriorísticos de los «m odernos aristotélicos». Para Dingle, la aceptación de los m étodos de Eddington, M ilne y D irac significarían el fin de la física em pírica com o se conocía desde los tiem pos de Galileo. Según Dingle, el conocim iento experim ental, no los principios apriorísticos, debería constitu ir la base de la física. M ilne, p o r o tro lado, m antenía que una explicación de la naturaleza com pletam ente racional era tan- to deseable com o posible. En 1937, en respuesta a Dingle, fo rm uló su op in ión de esta m anera: «El universo es racional. C on esto quiero decir que dada la m era afirm ación de /٠ que existe, las leyes que se obedecen pueden deducirse m ediante un proceso de in- ferencia. N o habría entonces dos creaciones [una de la m ateria, la o tra de la ley] sino una, y deberíam os quedarnos sólo con la suprem a irracionalidad de la creación, para- fraseando a ^ i t e h e a d . Sólo podem os com probar esta creencia m ediante u n acto de renuncia, explorando la posibilidad de deducir a p a rtir de una supuesta descripción de qué son exactam ente las leyes, que lo que existe obedece, evitando en lo posible todo

El sueño de Eddington مل otras heterodoxias 221

recurso a leye$ determ inadas em píricam ente. Las leyes de la naturaleza no serían entonces m ás arbitrarias que los teorem as geom étricos. La creación de Dios estaría so- m etida a leyes que no estarían posteriorm ente a disposición de Dios» (Kragh 1982a, p. 100).

£1 debate británico sobre la cosm ofísica a finales de los tre in ta era u n a de esas raras ocasiones en la ciencia física m oderna donde se discutía el p ropio firndam ento de la fí- sica, incluyendo su influencia sobre asuntos sociales e ideológicos. Dingle estaba preocupado porque las ideas de los m odernos aristotélicos crearan una atm ósfera ؛ntelec- tual que fuera dañ ina no sólo a la ciencia, sino tam bién al espíritu crítico y científico en u n sentido más am plio. «¿Cuál será la disposición m ental de u n público al que se le enseña a m edir el valor de una idea en térm inos de su incom prensibilidad y a burlar- se de la vieja ciencia porque se podía entender?» se preguntaba. «Los tiem pos no son tan prom etedores com o para que podam os descansar cóm odam ente en una atm ósfe- ra m ental en ط cual las ideas m ás aptas para la supervivencia no son las que se apoyan en la relación más racional con la experiencia, sino las que pueden desplegar la m ás im - presionante panoplia de pseudoprofundidad . Lxíste suficiente evidencia en el continente de los efectos de las doctrinas derivadas “racionalm ente y sin recurrir a la experiencia”» (Kragh 1982a, p . 2( آا ). D ingle pensaba probablem ente en la situación en las d ictaduras continentales, com o la Alem ania nazi y la U nión Soviética. La advertencia de Dingle fue repetida por John Bernal, el científico m arxísta. Sin referirse específica- m ente a £dd ing ton y M ilne, Bernal com entó en 1938, en su im portan te Lafunción social de la ciencia, sobre el «m isticism o y abandono del pensam ien to racional» que había penetrado pro fundam ente en la propia ciencia: «Las teorías científicas, en partí- cular aquellas teorías metafísicas y místicas que tra tan sobre el universo en su to talidad ٠ sobre la naturaleza de la vida, que fueron expulsadas con escarnio en los siglos XVI11

y XIX, están tra tan d o de ganar su vuelta a la aceptación científica» (Bernal 1939, p. 3). A pesar de la validez de las advertencias de Dingle y Bernal, la m oda en cosmofísica fue efím era y, de hecho, no llegó a am enazar a la física o rd inaria basada en experim entos. En todo caso, los físicos británicos p ron to tendrían o tras cosas de qué preocuparse. Tras septiem bre de 1939, se concentraron, con éxito, en la física con aplicaciones m ilitares, u n área que estaba a años luz de la cosmofísica racionalista e idealista. En su in- troducción a Nuevas teorías en física, el m oderador del congreso en Varsovia lam entaba «la ausencia de m uchos colegas alem anes, italianos y rusos, a los que las

‘ le ha im pedido asistir a pesar de sus sentim ientos de fraternidad con los*' de todo el m undo». N os ocuparem os ahora de estas circunstancias.

C A P ÍTU LO ل6

La física y las ةة/اس dictaduras

A la sombra de la esvástica

C on la ascensión al poder de A do lfH itle r com o canciller del Reich el 30 de enero de 1933, se abría un nuevo y triste capitulo en la historia de Europa. Lise M eitner estaba entre los m uchos que escucharon la retransm isión radiada de uno de los discursos de H itier poco antes de que el partido nazi convirtiera Alem ania en una dictadura. En una carta dirigida a O tto ٦ ؛آ؛ا؛٨ , describió el discurso com o m oderado, con tacto y personal y escribió que «ojalá con tinúen las cosas de esta m anera [...] Todo depende ahora de la m oderación racional» (H entschel 1996, p. 18). ?ero la m oderación racional no fue lo que caracterizó los meses y años siguientes. M eitner m ism a tuvo que escapar de Alem ania cinco años después. En un corto periodo de tiem po, los nuevos lideres dejaron claro que en A lem ania había ocurrido una revolución y que la política e ideología del partido nazi debía seguirse estrictam ente. Esto im plicaba, entre otras cosas, que los otros partidos políticos quedaban prohibidos y que los judíos y los socialistas no po- dían ocupar plazas de fm icionarios en el Reich. Según la Ley para restaurar el servicio civil de carrera del 7 de abril de 1933, un no ario se definia com o una persona con un padre o abuelo no ario. Una persona así era Bethe, quien el 11 de abril de 1933 escri- bió a Som m erfeld, «probablem ente no sepas que m i m adre es judía. ? ٠ ٢ lo tanto , se- gún la nueva Ley de servicio civil, soy de “ascendencia no aria” y po r tan to no valgo para funcionario del Deutsches Reich [...] No tengo opción; debo actuar en consecuencia e in ten tar encon trar u n lugar que m e acom ode en algún otro país» (Eckert y Schubert 1990, p. 83).

La prim era oleada de despidos producida p o r la ley de abril de 1933 incluía a más de mil profesores de universidad, 313 de ellos titulares. Una m edida tan drástica (y era sólo el principio) no pudo evitar dañar la ciencia y ظ academ ia alem anas, pero esto era de im portancia m enor para los líderes nazis, que ni en tendían de ciencia n i m ostraban interés p o r ella. En una ocasión, cuando M ax ?lanck sugirió cautam ente a H hler que

La física y ؛as nuevas dictaduras 223

ط despedida de científicos judíos sería perjudicial para Alemania, el· Führer (según una versión) m ontó en cólera y respondió: «N uestra política nacional· no será revocada o m odificada, incluso para científicos. Si la despedida de científicos judíos significa la aniquilación de la ciencia alem ana ' ¡entonces nos las apañarem os sinciencia duran te unos pocos años!» (Beyerchen 1977, p. 43). U na gran parte de la po- blación alem ana habría estado de acuerdo con el Führer. La despedida de científicos ju- dios encontró aquiescencia o indeferencia. U n científico estadounidense que visitó Alemania en 1933 inform ó en una carta: «A la m ayoría de la gente no le im porta un com ino; una gran proporción está bastante feliz de que todo haya ocurrido . Los extre- m adam ente pocos que están preocupados p o r ello no 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 otros grupos, respondieron de distinto m odo a la nueva situación. Unos pocos protestaron en público, pero una reacción m u- cho m ás com ún era expresar la preocupación con calm a e in ten tar llegar a algún entendim iento con los nuevos líderes. Algunos físicos judíos d im itieron en protesta; la m ayoría ftreron despedidos. B uena parte de los físicos alem anes no judíos se sentían m uy unidos a su país y no tenían deseos de dejarlo, ni com o protesta ni po r su propio bien. Planck, Laue y H eisenberg estaban entre los m uchos que consideraban su deber quedarse, no sólo p o r el bien de la patria sino incluso más por el bien de la física ale- m ana. C uando Einstein dim itió públicam ente de la Academ ia prusiana de las Ciencias en m arzo de 1933, la academ ia, deseosa de apaciguar al gobierno, le acusó de «com- portam ien to agitador». Laue sugirió a Einstein que debería haber actuado de m anera m enos política, con m ás com edim iento. Pero Einstein, ya a salvo fuera de A lem ania, no quería o ír hablar de ello: «De la situación en A lem ania puedes deducir exactam ente a lo que conduce tal com edim iento. Significa dejar el liderazgo para los ciegos e irres- ponsables. ¿No hay detrás de esto una falta de sentido de ط responsabilidad? ¿Dónde estaríam os ahora si gente com o G iordano Bruno, Spinoza, Voltaire y H um bold t hubieran pensado y actuado de esta manera?» (Hentschel 1996, p. xliii). Por supuesto, tam bién existían físicos que daban la bienvenida al nuevo régim en, ya porque creyeran en la causa nazi, o al m enos sim patizaran con partes de ella, o porque vieran en las nuevas circunstancias una m anera de m ejorar sus propias carreras. Sólo unos pocos físi- eos eran m iem bros del partido nazi (DNSAP) antes de 1933, pero ser m iem bro de cualquier partido político había sido poco habitual entre los científicos y académ icos del período de Weimar. Después de 1933, el núm ero de m iem bros del partido nazi au- m entó drásticam ente, sobre todo entre científicos jóvenes. (Vale la pena recordar que los estudiantes estaban entre los m ás entusiastas partidarios de Hitler.) El U ranverein, el proyecto de energía atóm ica alem án, incluía 71 científicos, entre ellos la m ayoría de los físicos nucleares alemanes. De los físicos, quím icos e ingenieros involucrados en la obra del Uranverein, el 56 p o r 100 eran m iem bros del partido y, de éstos, el 8 p o r 100 habían sido m iem bros 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 Weimar continuaron y, en general, no


estaban trem endam ente politizadas. La más im portante de las agencias de fin؛mc؛ación a ظ investigación del periodo de Weimar, la Notgemeinschafí, continuó desem peñando un pa- peí dom inante, aunque bajo el nom bre de Deutsche Forschungsgem 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 medida. Después de que Faschen fuera obligado a dim itir en 1933, el cargo de director fue asumi- do por Johannes Stark, el físico nazi que tam bién fue presidente (1934-1936) de la Not- gemeinschaft. Stark reorganizó la Reichsanstait y en 1938 aum entó su personal a 444,138 de los cuales eran físicos. De acuerdo con su baja opinión de la física pura, la Reichsan- stalt de Stark se concentró en la física técnica y m ilitar antes que de la clase de física ordinaria que Faschen había intentado promover.

Para la K ^se r-W ilh ^ -G ese llsch a ft, con Planck com o presidente, la década después de 1933 fue un periodo de expansión. El Instituto de Física Kaiser ^^'ílhelm, planeado en 1917 pero existente sólo sobre el papel duran te el periodo de W eimar, se com pletó finalm ente en 1937, financiado entre el gobierno y dos m illones de m arcos imperiales de la Fundación Rockefeller. El grande y bien equipado instituto, cuyo prim er director fue Peter I.)ebye, nacido en H olanda, p ron to se convirtió en ط principal institución de A lem ania para la investigación física. En lo tocante a dinero e instituciones, los físicos alem anes no tenían m otivo para no estar satisfechos con el nuevo régimen.

La física alem ana sufrió severam ente, tan to cuantitativa com o cualitativam ente, debido a la política de despidos del régim en. U na estim ación fiable es que Alem ania per- dió el 25 po r 100 de su com unidad física de 1932. El núm ero total de físicos contrata- dos por universidades cayó de 175 en 1931 a 157 en 1938, pero el declive se com pensó aproxim adam ente p o r u n increm ento de físicos trabajando en institu tos politécnicos. Así, a pesar de la fuerte pérdida p o r físicos em igrantes, la población física perm aneció constante. Por o tro lado, com parada con la situación en los Estados U nidos, donde el núm ero de plazas de física continuaba creciendo, este estancam iento era una señal de enferm edad. De m ayor im portancia es que los físicos que abandonaban A lem ania representaban una m asa de talento, experiencia y originalidad que, sim plem ente, no po- día reemplazarse. Tom em os el ejem plo de G otinga, la cuna de la m ecánica cuántica y una universidad con un elevado núm ero de em inentes físicos y m atem áticos judíos. M ax Born, James Franck, W alter Heider, H einrich Kuhn, Lothar N ordheim , Eugene Rabinowich, H ertha Sponer y Edward 'l’eller, todos fueron despedidos o forzados a que dejaran la universidad, lo que significaba que los institu tos de física acabaron casi va- cíos. G otinga era excepcional, en todo caso; de hecho, sólo se despidieron profesores po r m otivos políticos en 15 de 36 universidades o politécnicos alemanes. Sin em bargo, fireron las universidades con los institu tos de física m ás grandes y progresistas, especialm ente Berlín y Gotinga, las que m ás sufrieron. Los institu tos politécnicos no sufrieron m ucho y, en la universidad de Jena, conservadora y sin judíos en su personal de física, no se despidió a un solo físico. En general, cuanto m ás orien tado a la teoría estaba el instituto, más despidos había: de 60 profesores de universidad en Alem ania con plazas en física teórica, no m enos de 26 acabaron en el exilio. La pérd ida de talento

La física y las nuevas dictaduras 225

،íentífico era notable. Entre los físicos forzados (o que se sin tieron forzados) a dejar sus plazas en Alemania entre 1933 y 1940, seis eran prem ios Nobel (Linstein, Franck, Hertz, Schródinger, Hess y Debye) y otros ocho recibirían el prem io Nobel más adelante en risica o Q uím ica (Stern, Bloch, Born, ^ 'ig n er, Bethe, Gabor, Hevesy y H erzberg). Para una lista más com pleta de em igrados, véase la tabla 17.2.

En jun io de 1933, John von N eum ann inform ó al m atem ático de Princeton Oswald '،‘eblen sobre la situación en A lem ania, que consideraba «m uy deprim ente». Explicaba,

hem os estado tres días en Gotinga y el resto en Berlín, y hem os tenido tiem po de ver . apreciar los efectos de la locura alem ana actual. Es sencillam ente horrible. En G otin- تق . en prim er lugar, es bastante obvio que si estos chicos siguen sólo dos años más (lo ،‘ ja l es por desgracia m uy probable), a rru inarán la ciencia alem ana duran te una gene- ración, al m enos» (W eim er 1969, p. 205). Según se fueron conociendo en otros países قد. realidades de las m edidas del régim en nazi contra científicos judíos, m uchos físicos ¿xtranjeros respondieron, al principio en silencio, evitando visitar A lem ania, cance- سدئ0 suscripciones a revistas alem anas o dándose de baja com o m iem bros de asocia- dones científicas alem anas. Esto, y las restricciones sobre alem anes para viajar en el extranjero, contribuyó a u n creciente aislam iento in ternacional de la física alem ana. C om enzando en 1936, a los científicos alem anes (jun to con los rusos e italianos) se les prohibió partic ipar en encuentros asociados con la Liga de las Naciones. En 1937 el ré- am؛ en nazi prohib ió que los alem anes aceptaran prem ios Nobel. Samuel G oudsm it fue más abierto que la m ayoría de los o tros físicos en su crítica de la política nazi: en una ^ r a rg a carta de d im isión de 1936 a W alther Gerlach, daba sus razones para darse de ? a ia com o m iem bro de la Sociedad Alem ana de Písica: «Estoy decepcionado con que د. Sociedad nunca haya protestado en su to talidad contra los duros ataques que algunos de sus extraordinarios m iem bros han sufrido. Además, pocas contribuciones a la ris ica proceden de A lem ania hoy en día; la principal exportación alem ana es m ás bien propaganda del odio» (Beyerchen 1977, p. 75). Varios físicos extranjeros siguieron a ق:̂؛ u d s m i t , lo cual contribuyó al declive en el núm ero de m iem bros que la sociedad experim entó duran te los años treinta. La Sociedad A lem ana de Física había conseguido, ءك hecho, seguir un curso relativam ente independiente, evitando la expulsión de sus m iem bros judíos. Fue sólo a finales de 1938 cuando Debye, com o presidente de la so- dedad , se sintió forzado a ped ir a todos los m iem bros judíos que se d ieran de baja com o m iem bros. En 1940 Debye había tenido bastante, y abandonó Alemania para ocupar una plaza en la Universidad de Cornell.

La m ayoría de los físicos extranjeros no estaban seguros de cóm o actuar y tuvieron cuidado de no rom per las conexiones con sus colegas alemanes. Estaban contra H itler V ط política nazi, no contra los alem anes m ism os. El físico estadounidense, m ás ade- ;ante prem io Nobel, Percy B ridgm an era una excepción. A princip io de 1939 publicó un m anifiesto en Science en el que declaraba: «He decidido de ahora en adelante no m ostrar m is aparatos ni discutir m is experim entos con los ciudadanos de Estados to- talitarios». Se daba cuenta, p o r supuesto, que tal m edida iba con tra el ideal del Ínter- nacionalism o científico, pero argum entaba que «la posibilidad de una concepción


idealista de la función actual de la ciencia ya ha sido destru ida, y [...] quizá la única esperanza que la situación actual p roporciona es hacer que los ciudadanos de los Esta- dos to talitarios se den cuenta todo lo vivida y rápidam ente posible de cóm o im presiona y afecta al resto del m undo la filosofía de sus Estados» (H entschel 1996, p. 185).

Los físicos y los adm inistradores científicos alem anes eran m uy conscientes de que A lem ania ya no podía com petir con los Estados U nidos en m uchas áreas im portantes de la física. También sabían, pero no podían decirlo ’ ’ que la política nazide despidos era, en gran parte, responsable del declive. Cari R am sauer era un reconocido físico aplicado y director de la división de investigación de A ممل (Allgemeine E،ek- tricitáts-G esellschaft), una de las em presas industriales más grandes de Alemania. En un m em orando a B ernhard Rust, secretario de ciencia, educación y cultura, Ram sauer avisaba de que la física alem ana se estaba quedando claram ente po r detrás de la de Es- tados U nidos. M ientras que las citas estadounidenses en los volúm enes de 1913 a 1938 de Annalen der Physik habían subido del 3 al 15 po r 100, Ram sauer halló que en el mis- m o periodo, las citas alem anas en Physical Review («la revista de física líder, según se considera in ternacionalm ente») había decrecido del 30 al 16 p o r 100. En el área de fí- sica nuclear, R am sauer halló que la investigación anglo-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 nú- m ero de artículos alem anes sobre este cam po tan m oderno y prom etedor se ha m ultiplicado p o r 3,5 en este periodo, m ientras que el núm ero de artículos escritos en inglés se ha m ultiplicado p o r 13,5. Sin em bargo, com o puede confirm ar cualquier físico nuclear, la calidad de los artículos estadounidenses es, com o poco, equivalente a la de los artículos alemanes».

Los historiadores posteriores han analizado datos similares a los de Ram sauer para proporcionar una im agen más detallada del efecto de la política nazi en la física. En lo concerniente a m ecánica cuántica, incluyendo la electrodinám ica cuántica, el 25 por 100 de todas las publicaciones en alem án entre 1926 y 1933 (las cuales suponían el 45 po r 100 de todas las publicaciones) estaban escritas po r físicos que m ás adelante abandonaron Alem ania (tabla 16.1). U n patrón sim ilar se observa en física nuclear, donde la tasa fue del 18 p o r 100. Además, los artículos de los fu turos em igrantes tenian una valía p o r encim a de la m edia, com o indica la frecuencia con que se citaron en la lite- ra tu ra física. Los estudios sobre citas m uestran 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 artir del núm ero de sus artículos. En otros cam pos, las contribuciones de los firturos expatriados fue m enos m arcada, en general con una tasa m ayor en los cam pos más teóricos y m odernos y una relativam ente m enor en cam pos m ás experim entales y tradicionales, com o acústica y m ecánica técnica (tabla 16.2). En prom edio , la contri- bución de los em igrantes a todos los cam pos de la física alem ana fue del 10,8 po r 100. La m ayoría de sus publicaciones aparecían en el progresista Zeitschrift fü r Physik, de orientación teórica (donde com pusieron un 14,5 por 100) y sólo unos pocos en el más conservador Annalen der Physik (5,9 por 100).


TABLA 16.1Publicaciones de teoría cuántica

Publicaciones Por posteriores emigrantes

A ño N ° total Porcentaje £٢١ alemánN °

Porcentaje en publicaciones alemanas

1926 173 49,7 16 18,6

1927 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

t o ta l 1.930 44,8 717 25,1

Sota: Basado en datos de Fischer 1988.

TABLA 16.2Publicaciones alem anas sobre física en cam pos seleccionados, 1925-1933

Publicaciones enCampo de la física alem án ?٠٢ emigrantes Porcentaje

Teoría cuántica 864 717 25,1

Núcleos, radiactividad, rayos de p a r t id a s 532 100 18,8

Espectros 958 123 12,7

Nlrcánica de fluidos y gases 1.740 163 9,4

Nlecánica técnica 1.030 58 6,6

.Acústica 482 18 3,8

T o ta l, to d o s lo s c a m p o s 23.216 2.505 10-8

Seta: Basado en datos de Fischer 1988.

En general, las autoridades nazis no se oponían a la ciencia, y encauzaron enorm es en tid ad es de dinero hacia la investigación científica. La física alem ana entró en declive lespués de 1933, pero la investigación de alto nivel continuó tanto en cam pos exper؛- ú n ta le s com o en teóricos. Heisenberg y su grupo en ط Universidad de Leipzig todavía a ta b a n entre los líderes m undiales en teoría cuántica de cam pos e investigación de ra- cósmicos; Von ^êizsácker realizó una im ص ■ portante labor en teoría nuclear y en astro- üi-.ca; en física del estado sólido, Robert p،)hl, W alter Schottky y otros contribuyeron

م' y en física nuclear los trabajos de M eitner, H ahn y Strassm ann con-;_ eron a ظ fisión nuclear. Hasta en un am biente cada vez más em ponzoñado por la ecología nazi, era posible llevar a cabo investigación física del más alto nivel.


Física a r ia

En 1936 Philipp Lenard, profesor em érito de fí$ica, publicó un libro de texto en cuatro volúm enes, titu lado Deutsche Physik (Física alemana). En el prefacio, justificaba el inusual título: «‘¿Física alemana?' se preguntará el lector. Podría tam bién haber dicho física aria o física del tipo étnico nórdico, física de los que indagan la realidad, de los que buscan la verdad, la física de los que han fundado la investigación científica. ‘¡La ciencia es internacional, y siem pre lo será!’, querrá protestar. Pero esto está ineví- tablem ente basado en una falacia. En realidad, com o ocurre con todo lo que el hom - bre crea, la ciencia está determ inada p o r la raza o la sangre... Las naciones de distintas mezclas raciales practican la ciencia de m aneras distintas» (H entsche1996 ؛, p. 100). La física alem ana o aria po r la que Lenard abogaba en su trabajo tenía su origen en el p rin - cipio de los años veinte, cuando Lenard y un grupo de o tros físicos alem anes derechistas atacaron la teo ría de la relativ idad de E instein Y , en general, la física teórica m o- derna (véanse los capítulos 7 y 10). El p u n to de vista de que existían distintas form as de física, dependiendo de la raza y la nacionalidad, estaba en perfecto acuerdo con la ideologia ^ i in te rn a c io n a iis ta de los ' com o se exponía en M einK a m p fd e H itler y en M ythos des 20. Jahrhundert de Alfred Rosenberg. El poco conexo grupo de antirrelativistas derechistas a principios de los veinte incluía a Lenard, Stark y Gehrcke com o sus m iem bros m ás notables y, de ellos, los dos prem ios N obel se incli- naron hacia el partido nazi en sus comienzos. A unque Stark no se uniera al partido hasta 1930 y Lenard en 1937, ya estaban dedicados a la causa hitleriana desde hacía m uchos años. En 1924 escribieron conjuntam ente una alabanza a H itler y sus aliados, a los que describieron com o «los regalos de Dios, traídos de los días de antaño, cuando las razas eran m ás puras, las gentes más grandes y las m entes m enos ofuscadas» (ibid.y p. 9). El artículo contribuyó a su ostracism o den tro de la com unidad física ale- m ana, pero tras 1933 se hallaron en el lado ventajoso de la balanza y estaban dispuestos a tom arse la revancha. M ientras que el anciano Lenard, que se había retirado en 1931, actuaba sobre todo en el frente ideológico, el más joven Stark trabajaba política- m ente e in tentaba tom ar las riendas 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 dogm a cuántico-relativista judio? Lo prim ero, nunca se form uló de una m anera consistente o program ática y nunca constituyó en realidad una cosm ovi- sión coherente. Tam poco se m aterializó en n inguna práctica científica. Lo que caracterizaba la im agen física aria era más bien contra lo que estaba: la física m oderna, con su com plejo aparato m atem ático, la falta de visibilidad, resultados antiintuitivos y rechazo de la cosm ovisión clásica de N ew ton, Paraday y H elm holtz. Básicamente, los físicos arios eran antim odernistas y rom anticistas, que añoraban u n retorno a la física basada en experim entos y a la teoría sim ple e inteligible, que estuviera de acuerdo con la in- tuición. O puestos a la especialización que había fragm entado a la física, abogaban por una im agen holística de la naturaleza. Por aquel entonces, la física aria era p o r supues- to abiertam ente racista, sosteniendo que toda la física sólida provenía de arios (aunque a veces la hubieran robado los judíos), m ientras que la especialidad de los físicos de as


cendencia jud ía era la teoría estéril, com o la teoría de la relatividad. Lenard y sus com - pañeros creían que la física era la búsqueda de la verdad, y que la verdad podía obtenerse sólo m ediante experim entos com binados con im ágenes m entales de la realidad. La más im portan te de estas imágenes era el éter, que era, según m uchos de los físicos arios, no una m era im agen, sino u n a realidad. De m anera tan sim plista com o rom án- tica, m antenía que el físico nórdico, y sólo él, podía establecer u n diálogo con la naturaleza m ediante cuidadosos experim entos y la observación; la naturaleza asum iría el diálogo y le p roporcionaría las respuestas a las preguntas form uladas. La teoría avanzada, por o tra parte, no llevaría a n ingún lado. C om o escribió un discípulo de Lenard, Alfons Bühl: «Este tra tam ien to de problem as físicos m atem ático en exceso ha surgido sin duda del espíritu jud ío [...] Igual que él [el judío] en otros ám bitos (com o en los negocios) tiene siem pre el cálculo num érico, el crédito y débito, ante sus ojos, así debe designarse una caac terís tica típicam ente racial incluso en física el hecho de que pon- ga la form ulación m atem ática en p rim er plano» (Beyerchen 1977, p. 132). Aunque esto pueda parecer terrib lem ente ingenuo, incluso ridículo, los físicos arios no eran locos sin conocim ientos de ciencias: recibían apoyo de al m enos un ósofo de la ciencia de][؛ cierta im portancia, Hugo Dingler. D ado que los físicos arios quedaron excluidos de las revistas de física corrientes, com o Zeitschriftfür Physik, ten ían que publicar sus contribuci«nes y polém icas en o tro sitio. U na revista favorita era Zeitschriftfür die gesamte Naturwissenschaft, una de las revistas m ás peculiares de la h istoria de las publicaciones físicas. Fundada en 1935, la revista era la trib u n a oficiosa de los abogados de la física aria, e incluía una extraña mezcla de artículos ordinarios de física, propaganda antise- m ita, polém ica contra la física establecida e h istoria hagiográfica de la ciencia.

La física aria podría tam bién denom inarse física nazi, y sus ideas recibieron un apo- vo sustancial de funcionarios nazis com o Rosenberg. Fue sólo gracias a su apoyo poli- tico com Stark pudo (؛ asegurarse una poderosa base en la física alem ana y, po r u n periodo, hacer que la física aria pareciera una am enaza a la física convencional. Los seguidores dedicados de Lenard y Stark eran pocos, apenas m ás de tre in ta en núm ero, pero dadas las circunstancias políticas y la m ucha sim patía que recibían de sus estudiantes, su influencia era relativam ente m ayor que su pequeño núm ero. C onsiguieron un éxito tem poral en 1939, cuando la polém ica sobre la cátedra de Som m erfeld en MÚ- nich se resolvió por fin. Som m erfeld quería que su sucesor fuera Heisenberg, pero los físicos arios lanzaron una venenosa cam paña contra los dos teóricos cuánticos y acusaron a H eisenberg de ser u n «judío blanco». A unque H eisenberg fuera rehabilitado gracias a la intervención personal de H im m ler), la cam paña logró su objetivo. Wil-

helm M üller, u n buen naz؛ y antirrelativista sin n ingún conocim iento de física m oderna, fue nom brado catedrático de física teórica en M iinich. Podía haber sido una bro- ma, si no hubiera sido real y con u n trasfondo trágico. A finales de 1939, seis seguidores de la física aria habían sido nom brados catedráticos en universidades o politécnicas (en M únich, Heidelberg, Karlsruhe y Stuttgart).

A pesar de victorias ocasionales, la influencia de los vociferantes físicos arios fue li- m itada y efím era. La gran m ayoría de los físicos alem anes, incluso los que sim patiza

230 Generaciones cánticas

ban con la causa nazi, consideraban las ideas de Lenard y Stark inaceptables, ridiculas y peligrosas. Jordán, que estaba a favor del régim en e ingresó en el partido nazi en 1933, no quería tener nada que ver con el extraño in ten to de cancelar el progreso en fí- sica teórica logrado d u ran te dos décadas. La física aria era sim plem ente incapaz de reem plazar la física de Einstein, Bohr y Heisenberg, y en la práctica Ja enseñanza de fí- sica en m uchas universidades alem anas no se vio afectada p o r eJ in ten to de proh ib ir Ja teoría de la relatividad. La teoría se enseñaba en libros de texto y clases, pero el nom - bre de Einstein se om itía m uchas veces. La física aria nunca llegó a asum ir eJ nivel de poder que el lisenkoísm o obtuvo en la Rusia de Stalin. Después de 1940, cuando Stark y sus seguidores perdieron gran parte de su apoyo político, el m ovim iento em pezó a desintegrarse y tres años después, había prácticam ente dejado de existir. Q uizá el p rin - cipal efecto del m ovim iento de física aria fue el im pacto en físicos ordinarios com o Heisenberg,Von W eizsácker y Laue. Estaban convencidos de que Stark y sus cam aradas acabarían destruyendo la física alem ana y que era im perativo com batir el m al, lo cual sólo podía hacerse desde el cam po alem án. Fue una razón que contribuyó a su estancia en Alem ania y a su cooperación con las autoridades nazis. N o eran plenam ente conscientes de que estaban sucediendo cosas peores en el Tercer Reich que las actividades de u n grupúsculo de físicos arios relativam ente inocuo.

La física en >a Italia de Mussolini

M ussolini llegó al poder en 1922; tres años después Italia se convirtió en una dictadura fascista bajo ¡ا Duce. Por aquel entonces, la física italiana tenía poco de qué presu- mir. No existía nadie capaz de reem plazar a ظ generación anterior de ' de gran reputación, com o Augusto Righi, y en la teoría la situación era incluso peor, un país O trora tan im portante en la física, Italia parecía encam inada a convertirse en un en- clave provinciano, ?ero entonces las cosas cam biaron. D urante el periodo de 1925-1938, los años del fascismo, la física italiana floreció de una m anera m uy notable, y el país pasó a ser una de las naciones más avanzadas de Europa en física m oderna. La figura central en este proceso file sin duda Fermi, que fue nom brado catedrático de física teórica en Roma en 1926, cuando tenía sólo veinticinco años. A principio de los años treinta, Fer- m i organizó su grupo de jóvenes físicos experimentales y teóricos, que incluia a Edoar- do Amaldi, Franco Rasetti, Bruno Pontecorvo, Emilio 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 Fermi se concentraba en la física nuclear en Roma, un fuerte grupo de jóvenes físicos en Florencia realizaba im portantes contribuciones al estudio de los rayos cósmicos y áreas relacionadas. Las principales figuras en el grupo de Floren- cia eran Bruno Rossi, G ilberto Bernardini, Giuseppe Occhialini y Giulio Racah, todos los cuales disfrutaban de estrechas relaciones con sus colegas de Roma. Los físicos italianos tenían m iras y prácticas fuertem ente internacionales y a m enudo pasaban tem poradas en el extranjero. La física m oderna que representaban parece no haber causado ningún problem a con el gobierno, ni controversias con los filósofos de inclinación fascista.

La física y ؛as nuevas dictaduras 231

Fermi y la mayoría de $٧$ colegas estaban inm ersos en ظ física y no m uy interesados en política. Sin em bargo, aunque Fermi era básicam ente apolítico, sabía m anejarse bien en los círculos políticos de ظ ciencia rom ana, un área en la que encontró un poderoso «padrino» en el físico y político O rso M aría Corbino. En 1929 Fermi fue nom brado el único físico m iem bro de la recién creada Accademia d ’Itaüa, una institución establecí- da po r M ussolini com o alternativa a la antigua y distinguida Accademia de؛ Linee؛, los m iem bros de la cual era hostiles al fascismo a los ojos de Mussolini. C om o m iem bro de la Accademia d ’Italia, Ferm i tenía la potestad de vestir el uniform e fascista de ظ acade- m ia y recibió el títu lo de «excelencia». También era m iem bro del Consejo N acional de Investigación italiano. Le gustara o no, Fermi era parte de la política italiana y su grupo de investigación en Rom a estaba en realidad protegido p o r el estado fascista. Fermi nunca apoyó activam ente el estado de M ussolini, pero tam poco fue antifascista.

A pesar de las sim ilitudes ideológicas entre el fascismo italiano y el nacionalsocialismo, la conversión de A lem ania en Tercer Reich no fue bienvenida por M ussolini. M u- chos físicos italianos decidieron que la colaboración con una nación que despedía a los colegas judíos debería enfriarse. Éste era el trasfondo de la decisión de Ferm i de publicar los im portantes artículos sobre reacciones nucleares inducidas por neutrones en in- glés y no, com o habría sido natu ral en otras circunstancias, en alem án. En general, los físicos en Rom a y Florencia se dirigieron hacia Inglaterra y Estados U nidos y dieron la « p a ld a a Alemania. D urante un tiem po, la física en Italia continuó floreciendo, im perturbada p o r la grave situación en Alemania. A partir 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 pa- peí de socio principal en la alianza política, m ilitar y económ ica. C om o resultado, en el serano de 1938 el gobierno fascista in trodujo leyes raciales diseñadas siguiendo las fa- mosas leyes de N urem berg alem anas. Una de las consecuencias fue que los académicos . ftreron despedidos de las universidades italianas y que, en general, lavida se com plicó para los judíos italianos. Fermi resultó afectado principalm ente porque su m ujer era judía, pero tam bién porque extremistas fascistas le acusaron pública- m ente de «haber transform ado el instituto de física en una sinagoga» (Segré 1970, p. 78). Decidió abandonar el país y p ronto encontró una oportun idad en la recepción del pre- m ió Nobel el 10 de diciem bre de 1938. En vez de regresar a Rom a desde Estocolmo, él V s u familia fiaeron a Estados Unidos. Varios físicos italianos abandonaron el país, in- duvendo Rasetti, Amaldl y Segré. Rossi, que era judío, afrontó la m ism a situación que Bethe en A lem ania cinco años antes. Consiguió obtener un pasaporte e ir a C openha- ;ue, donde Bohr le ayudó económ icam ente y le encontró un trabajo tem poral. Blackett lo invitó a M anchester con u n a beca de la Societ}' for the Frotection o f Science and Learning y en jun io de 1938 Rossl, siguiendo los pasos de Fermi, llegó a Chicago.

Física, materialismo dialéctico y estalinismo

Entre las debilidades políticas de ظ física aria (adem ás de intentos relacionados en quím ica y biología) estaba que no resultaba atractiva para una base teórica


filosófica accptada del nacionalsocialismo. Tal base teórica, sim plem ente, no existía. El nacionalsocialism o se constru ía con acciones y em ociones, no sobre un sistem a coherente de ideas. Esto era lo contrario de la situación en la U nión Soviética, donde el ré- gim en se basaba ideológicam ente en el Corpus socialista de los escritos de M arx, Engels y Lenin. Desde los prim eros días de ؛a nueva U nión Soviética, los filósofos im portan te analizar la ciencia desde el pun to de vista de la filosofía m arxista oficial, es decir, el m ateriaiism o dialéctico que se podía destilar de las obras de Engels y Lenin. Los entusiastas del m arxism o in tentaban prom over una «ciencia proletaria» que diferiría de la ciencia burguesa en cuanto a m étodos, objetivos y enfoque. El m ovim iento atrajo considerable interés político y filosófico, pero no consiguió convencer a los físicos de que debían cam biar la ciencia en una dirección más proletaria. En general, había pocos activistas políticos entre los científicos soviéticos. Según u n estudio de 1930, la Unión Soviética incluía unos 25.000 «trabajadores científicos», entre los cuales había unos 1.000 físicos. Sólo 44 de los físicos eran m iem bros del Partido C om unista.

D uran te ظ m ayor parte de los años veinte no hubo ningún conflicto serio entre fi- lósofos del partido y físicos, pero en los años tre in ta el debate se agudizó, ' ' en conexión con la in tepretación de la m ecánica cuántica. No era tan to un in ten to por parte del régim en de im poner su idea sobre los físicos com o un conflicto entre físicos y filósofos, entre los propios filósofos y, en algunos casos, entre los m ism os físicos. D ado que m uchos filósofos se consideraban los guardianes intelectuales del verdadero m arxism o-leninism o, sus voces eran políticam ente m ás im portan tes de lo que hubieran sido bajo circunstancias norm ales y dem ocráticas. Si se podía sostener que cierta teoría física, o cierta interpretación de ella, era «idealista», «subjetiva» o «machíana» (relacionada con las ideas de Ernst M ach), se podía llegar a una situación potencial- m ente peligrosa. Por ejem plo, el filósofo Afexander M aksim ov afirm ó en 1939 que Einstein, Schródinger, Bohr, D irac y Heisenberg eran todos «idealistas de la variedad m achiana» y que sus pun tos de vista sobre la física cuántica eran ideológicam ente inaceptables. «La lucha por el bolchevism o en la ciencia es la lucha po r una reconstruc- ción fundam ental de ظ ciencia», declaró (Vucinich 1980, p. 240). Los filósofos del partido in ten taron entablar discusiones ideológicas con los físicos y convencerles de sus errores, pero no tuvieron m ucho éxito. M uchos físicos sim plem ente ignoraron a los filó- sofos y perm anecieron alejados de las cuestiones sobre la relación entre física y marxis- ٨١٠. Asum ir tales cuestiones podría conducir a dificultades y, después de todo, la física era m ucho más interesante que la filosofía. O tros asum ieron el reto y argum entaron , razonablem ente, que para criticar la física uno debe entenderla; no com o los filósofos, co- m en taban jubilosam ente, o argum entaban que no existía, de hecho, n inguna contra- dicción entre el dogm a m arxista-leninista y la in terpretación de la relatividad y ط física cuántica. A bram Joffe protestó en 1934 que era totalm ente in fundado etiquetar a Bohr y a otros partidarios de la interpretación de Copenhague com o «idealistas». M uy al contrario , sostuvo que los sorprendentes hallazgos logrados po r los físicos occidentales suponían «una brillante confirm ación y enriquecim iento del m aterialism o dialéc- tico» (ibid., p. 242).


La controversia no estaba sim plem ente entre fanáticos filósofos del partido y físicos razonables. H abía físicos soviéticos cuyos pun to de vista científicos no eran más m o dernos que los de, p o r ejemplo, Lenard en Alemania. 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. Entre la m inoría m ás conservadora estaban K lim ent T im iria- zev, catedrático de física en la Universidad Estatal de M oscú, y V ladim ir M itkevich, especialista en tecnología eléctrica. Estos y otros «mecanicistas» acusaron a los físicos progresistas com o Frenkel, Vavilov, Tam m y Ioffe, de prom over el idealismo, el oscurantism o y el clericalismo. C om o en Alemania, los ataques a la «nueva física» incluían aspectos de antisem itism o. O tro aspecto de la d isputa era regional, con Leningrado desem peñando un papel sim ilar al de Berlín en el caso alem án. Leningrado era un bastión de los teóricos cuánticos y relativistas, y el Institu to Físico-Técnico de Leningrado tenía una reputación tan m ala entre los com unistas de la línea d u ra com o buena en física internacional. Ésta fue una de las razones que causaron u n declive de la im portancia de Leningrado com o centro de la física soviética. A m ediados de los años tre in ta, la Academia de la Ciencias se transfirió de Leningrado a Moscú, y muchas instituciones físicas em pezaron a concentrarse en la capital.

A unque algunos filósofos y físicos atacaron las teorías físicas propiam ente dichas, la m ayoría de la discusión en los años tre in ta se refería a cuestiones m etodológicas y epistemológicas. Existía un am plio (pero no total) acuerdo sobre lo básicam ente correctas que eran las teorías de la relatividad y de la m ecánica cuántica, y los in tentos de crear una com unidad científica de física proletaria fueron débiles y no se tom aron m uy en serio. Sin em bargo, las cuestiones de in terpretación y m étodo eran delicadas políticam ente y no podían restringirse al nivel pu ram ente académico. M uchos físicos soviéticos prom inentes se adhirieron a los pun tos de vista de la escuela de Copenhague y d iscutieron (de hecho, tuvieron que discutir) cóm o estos pun tos de vista podían ponerse en com pleta arm onía con el m aterialism o dialéctico. Este g rupo de físicos incluía teóricos em inentes com o Fock, Landau, Tamm, Frenkel y Bronstein. Una m inoría de físicos y una m ayoría de filósofos estaba en violento desacuerdo. K.V. N ikol’skii, físico, atacó la postura de Bohr-Heisenberg, que consideraba «totalm ente incom patible con las ideas progresistas en física teórica, ya que es una consistente elaboración de principios idealistas o m achianos» (Vucinich 1980, p. 245). En algunas de las agresivas discusiones de finales de los años trein ta, denom inar a u n físico «idealista» resultaba desagradablem ente próxim o al etiquetado de sus enem igos com o «judíos blancos» p o r parte de los físicos arios. De hecho, Ioffe com entó sarcásticam ente que la postu ra de Maksi- mov, que incluía lacerantes ataques a Einstein y Bohr, tenía una sim ilitud con la de Lenard y Stark más que superficial. Yakov Frenkel hizo explícito este argum ento; el distinguido teórico no tenía respeto hacia el m aterialism o dialéctico y los supuestam ente profundos conocim ientos de física de Engels y Lenin. En una carta de 1937 a Bajo la bandera del marxismo, la revista teórica del partido , resaltaba que el grupo de Maksi- m ov «en v ir tu d de sus postu ras, es so rp ren d en tem en te sim ilar al g rupo de físicos reaccionarios encabezados po r el profesor Stark [...] En su tra tam ien to de la física m o


derna, M itkevich, Timiriazev, Kasterin y, jun to a ellos, M aksimov, difieren de Stark, Leo- nard [sí'c] , H erke [¿Gerhcke?] y otros representantes del oscurantism o alem án sólo en que reem plazan el té rm ino «judio» con el té rm ino «idealista»» (Frenkel 1997, p. 215t. La carta de Frenkel no fue publicada.

C om o en A lem ania, la bien establecida teoría de la relatividad se convirtió en un objetivo de la crítica con m otivación política de algunos filósofos. Se sintieron provo- cados por el in ten to de £in$tein de geom etrizar la física y su énfasis en el papel del pensam iento puro a la hora de establecer una teoría física. «La teoría de la relatividad no penetra en la p rofundidad de los fenóm enos físicos», escribió E rnst Kol’m an en 9 ل9ث - «Todos los esfuerzos de constru ir la física sobre la geom etría del espacio continuo es- tán condenados al fracaso [...] Estos esfuerzos están anclados en la exageración m eta- física sin fundam ento , reforzada po r el idealism o de m uchos físicos teóricos» (Vuci- nich 1980, p. 249j. La m ayoría de los críticos soviéticos eran más abiertos y m ai avanzados que sus equivalentes en A lem ania, que negaban to talm ente la validez de ط teoría de la relatividad y rara vez distinguían entre la teoría especial y la general. En general, la d isputa en los años tre in ta entre filósofos y físicos era de diferente naturaleza de la que tenía lugar en Alemania. Los físicos y los filósofos ilustrados no tenían problem as a la hora de abogar po r sus ideas en oposición a los ataques de los filósofos dei partido, y no se p ianteaba la creación de una física específicam ente m arxista com o contrapartida de la física aria. El principal m otivo p o r el que el debate ocurría de una m anera relativam ente libre, sin serias restricciones ideológicas, era que se tra ta de un debate entre dos grupos de académ icos, y n inguno de los dos pun tos de vista estaba sancionado por las autoridades políticas. Esta situación cam bió tras la Segunda Gue- rra M undial, cuando la vida intelectual soviética experim entó un clim a ideológico m u- cho más duro y cuando la in terpretación de la m ecánica cuántica pasó a form ar parte del juego ^ lítico -id eo ló g ico . Entre 1948 y 1951, la física se politizó firertem ente, incluyendo una cam paña contra el «ein$tein؛ani،smo reaccionario», pero incluso entonces era ante todo una cuestión sobre cuál era la filosofía adecuada para la física. El horrible caso del lisenkoísm o no se repitió en la física soviética.

Esto no significa que la com unidad física soviética viviera pacíficam ente con el ré- gim en de Stalin. A p artir de 1933, aproxim adam ente, اع clim 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 po- licía secreta. M ientras que los físicos soviéticos habían sido an terio rm ente activos participantes en la com unidad física internacional y principales contribuyentes a las revistas de física alem anas, ahora se veían cada vez más forzados al aislam iento. Com o una salida para los físicos soviéticos, pero tam bién con contribuciones ocasionales de extranjeros, se fundó en 1932 Physikalische Zeitschrift der Sowietunion. incluía una ex- trañ a mezcla de física técnica y m ilitar, filosofía de la ciencia políticam ente correcta y artículos técnicos de alta calidad sobre teoría cuántica de cam pos y otros cam pos de ia física ordinaria.

Las víctim as de Stalin provenían de todas partes, e incluyeron físicos. El déspota ruso no estaba m ás interesado po r la física que Hitler, y nadie, científico o no, podía


-ent؛rse seguro bajo el G ran Terror. Entre 1935 y 1941, m urieron m illones de ciudadanos soviéticos. H asta 18 m illones puede que hayan sido arrestados, y posiblem ente la m itad de ese núm ero fueron ejecutados o desaparecieron. Los h istoriadores han esti- m ado que m ás de cien físicos ftreron arrestados en las purgas de 1937-1938 tan sólo en ظ zona de Leningrado. Esto indica que sobre el 20 por 100 de todos los físicos soviéti- eos pod rían haber sido arrestados. Algunos físicos, com o G am ow en 1933, escaparon لد Oeste. O tros ftreron arrestados p o r la policía secreta, incluyendo a Landau, que pasó u n año en la cárcel hasta que ser liberado p o r presiones de Peter Kapitza. El físico austriaco Fritz H outerm ans trabajaba en el Institu to F؛$ico-Técn؛co de Kharkov. Sus con- Acciones com unistas no im pidieron que fuera arrestado, y tuvo que pasar dos años en prisión hasta que ser extraditado a A lem ania en 1939. Lo m ism o le sucedió al colega de H outerm ans Alexander, ^ ssberg, o؛^ tro físico austríaco y convencido com unista. Vik- to r Bur$؛an, teórico de Leningrado y especialista en m ecánica cuántica, fue arrestado en 1936 y m urió en prisión diez años después. Matvei Bronstein, un teórico ruso jud ío de tre in ta y dos años, no tuvo m ejor suerte. Fue arrestado en 1937 y acusado falsa- m ente no sólo de ser un espía extranjero, sino tam bién de «oponerse resueltam ente a ظ aplicación del m aterialism o dialéctico a la ciencia natural» (G orelik y Frenkel 1994, p. 145). Su vida term inó ante el pelo tón de ftrsilamiento. El m ism o destino trágico esperaba a Lev Rosenkevich y Lev Schubnikov, dos de los colegas de Landau. O tros físi- eos soviéticos ejecutados o m uertos en prisión incluían aVseveloel Frederiks, u n especialista en teoría de la relatividad, y B. G erasim ovich, u n astrofísico. Las purgas fueron Je m ayor im portancia incluso para la astronom ía y la astrofísica soviéticas que para la física propiam ente dicha. En el fam oso observatorio Pulkovo a las afueras de M oscú, diez astrofísicos titulares ftreron arrestados p o r su «participación en una organización terrorista, fascista y trotskista» (Josephson 1991, p. 316).

M ientras que los nazis expulsaron a los físicos no deseados, los com unistas los fu- liaron, encarcelaron o hicieron lo posible para؛ m antenerlos dentro de las fronteras de د; U nión Soviética. No se les perm itía viajar al exterior y asistir a conferencias científi- cas. En el caso de Peter Kapitza, el especialista ruso en m agnetism o y física de bajas tem peraturas que había pasado varios años con R utherford en Cam bridge, las autoridades soviéticas llegaron incluso hasta el extrem o de prácticam ente secuestrarlo. En una visita de Kapitza, que po r entonces vivía en C am bridge, a Rusia en 1934, no se le ^ r m i t ió abandonar el país. Se le sum inistró una am plia financiación para que creara un nuevo institu to físico y p ron to se convirtió en uno de los físicos con más influencia de la U nión Soviética. C om o Heisenberg en Alemania, Kapitza aprendió rápidam ente llegar a com ق prom isos con fuerzas políticas inm orales. La situación en la U nión So- viética en 1937 puede estim arse a p artir de u n a carta que Kapitza escribió a u n funcionario del partido de alta categoría en protesta p o r la detención de v lad im ir Fock:

Me tu rb ó m ucho la noticia de que el físico V. A. Fock fuera arrestado ayer [...] Ello distanciará nuestros círculos científicos soviéticos todavía m ás de la o n s tru c c ió n del socialismo y puede, adem ás, m inar la habilidad de Fock de trabajar y, con ello, provocar una m ala reacción de los científicos aquí y en el Oeste. Se dice que, adem ás de Fock,


m uchos otros teóricos fueron arrestados hace algunos meses en conexión con el m im o asunto. De hecho, h an sido arrestado tantos que en la facultad universitaria de m atem áticas y física no puede encontrarse a nadie que dé clase a los estudiantes» (Boag ex al. 1990, p. 337). Fock fue liberado poco después.

C AP ÍTU LO 17

Fuga y ganancia de cerebros

La física estadounidense en ■es años treinta

A partir de finales de i©s años veinte, la física en los l i ta d o s U nidos experim entó u n rápido crecim iento, tan to cuantitativo com o cualitativo. Se establecieron nuevos institutos, departam entos y program as de licenciatura, a m enudo con el apoyo económ ico de grandes fim daciones privadas. La m ás im portan te de éstas era el G eneral Education Board, u n a obra filantrópica creada por la Fundación Rockefeller, cuyas operaciones estaban restringidas a los Estados Unidos. Entre 1925 y 1932, el General Education Board apoyó departam entos de ciencia en las principales universidades de Estados Unidos con la enorm e cifra de 19 m illones de dólares.

El dinero fue una im portan te razón 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 com petición internacionales. Esto habia tenido lugar tradicionalm ente con el envío de científicos de Estados U nidos a Europa, pero en los años veinte la CO- m e n te em pezó a invertir su dirección, p rim ero con la invitación a varios físicos europeos a que ocuparan plazas en universidades estadounidenses y con la creación de se- m úiarios y escuelas de verano del más alto nivel. La escuela de verano anual de la Universidad de M ichigan, que com enzó en 1927, era la más im portan te de éstas, pero era sólo u n a de las varias instituciones que atraía a los visitantes de Europa. En varias ،miversidades estadounidenses se estaban desarrollando potentes program as de física; Princeton, Chicago, la Universidad de C alifornia en B erkeleyyel Institu to de Tecnoio- gia de California (Caltech) estaban entre los más im portantes.

El creciente atractivo de los centros de física estadounidenses queda ilustrado po r د elección de las instituciones de los becarios posdoctorales de la Fundación Rocke-

reller o del In ternational E ducation Board (IEB). El IEB operaba en Europa com o con- :raparte del G eneral E ducation Board; com o esta institución, se financiaba con dinero la Rockefeller. De los 135 físicos europeos que recibieron becas posdoctorales para ءف


estudios en el extranjero entre 1924 y 1930, 44 eseogieron ir a los Estados Unidos. Las naciones europeas m ás atractivas eran Alem ania e Inglaterra, con 26 y 25 becarios de física, respectivam ente; 16 escogieron ir a D inam arca, una elección que reflejaba la importancia del institu to de Bohr. A principios de los años trein ta, la física estadounidense ya había progresado de m odo im presionante y era com petitiva con cualquiera europea. C uando la A m erican ?hysical Society celebró su encuentro anual en Chicago en 1933, cinco meses después de que H itler llegara al poder en Alemania, John Slater participó ju n to con notables físicos europeos com o Bohr, Cockcroft y Fermi. Slater recordaba que lo que más le había im presionado era «no tan to la excelencia de los ponentes invitados com o el hecho de que los trabajadores estadounidenses del program a p roporcionaran charlas de tan alta calidad de investigación y de tal im portancia que, p o r prim era vez, los físicos europeos presentes estaban aquí para aprender tan to com o para instruir» (W eim er 1969, p. 201).

En la época del encuentro de Chicago, la física estadounidense estaba, de hecho, en- frentándose a grandes problem as debidos a los efectos de la G ran D epresión. La crisis económ ica azotó a la ciencia estadounidense con toda su fuerza sólo que tras un retraso de varios años; los efectos no perduraron , pero cuando la depresión llegó en 1933, el im pacto fue serio. La financiación fue drásticam ente reducida, el salario del personal académ ico se redujo y para los nuevos doctores fue casi im posible obtener plazas. Sin em bargo, a pesar de los problem as, el año de la crisis no resultó en u n nú- m ero m en o r de estudiantes de doctorado. En 1931, el ú ltim o buen año, las fu n d ad o - nes estadounidenses donaron un total de 5 m illones de dólares a la investigación en las ciencias naturales; en 1934 el dinero de las fundaciones se había reducido a dos millones. Todas las instituciones de física se vieron afectadas, de m anera más b ru ta l quizá en el caso del Institu to N acional de Estándares. Entre 1932 y 1934, el presupuesto operativo para esta institución, que era la gubernam ental que m ás físicos em pleaba, fue reducido nada m enos que en un 70 por 100. Tam poco se libraron los laboratorios industriales. En 1933, General Electric había despedido al 50 p o r 100 de su personal de laboratorio , y AT&T cas¡ aJ 40 p o r 100. Además de los problem as financieros, m uchos cabecillas de la física estadounidense estaban preocupados p©r la im agen pública de la ciencia, que m ostraba indicios de cam biar de la im agen positiva tradicional a una actitu d m ucho más crítica, e incluso negativa. A princip io de los años treinta, existía una especie de m ovim iento anticiencia no organizado en la sociedad estadounidense que cuestionaba los propios cim ientos de la labor científica. C om o otros m ovim ientos anteriores y posteriores de este tipo, era heterogéneo y se nu tría de distintas (y a veces incom patibles) fuentes de insatisfacción.

Algunos hum anistas deploraban la ausencia de valores en la ciencia y sostenían que la ciencia no podía proporc ionar lo que el hom bre m oderno m ás necesitaba: esperanza espiritual y guía m oral. Por lo tanto , sugerían una m oratoria en la ’ científica, o u n sector científico fuertem ente reducido. La actitud no era nueva, ni estaba restringida al en to rno estadounidense. En 1927 el obispo de R ipon dio un serm ón en el encuentro de la Asociación Británica, en el cual sugirió, «a riesgo de que m e lin

Fuga y ganancia de cerebros 239

chen algunos de mis ©yentes, la sum a de la felicidad hum ana exterior a 1©S círcul©s científic©s ٨٠ se reduciría necesariam ente si du ran 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 perdido de la coexistencia com ún y a encon trar la fórm ula de atar ca- bos en la escala de la vida hum ana» (Bernal 1939, p. 2). © tros críticos creían que la ciencia y la tecnología eran las culpables del desem pleo masivo, ya que ¿no destru ían las m áquinas y fábricas autom atizadas m ás trabajos de los que creaban? ¥ ¿no eran las tecnologías que ahorraban trabajo p roducto de la ciencia? Los críticos sostenían tam - bién que el fallo de la ciencia no era que p rodujera innovaciones tecnológicas, sino que no p roducían las suficientes ni del tipo de las que beneficiaban al ciudadano ordinario . En vez de utilizar el dinero en asuntos esotéricos e inútiles (com o la teoría de la relati- ^ d a d ) , se les aconsejaba a los físicos que resolvieran las necesidades básicas de la gente. C om o un critico lo expresó: «Con una pequeña parte de los cerebros que ahora es- tán dedicados a ظ velocidad con la que el n eu tró n penetra el núcleo del á tom o [...] el coste de la vivienda de la gente pobre se reduciría a la m itad» (Kevles 1987, p. 247). Este tipo de crítica com partía elem entos con la que planteaba el m ovim iento p o r la «cien- d a proletaria» en la U nión Soviética.

La actitud anticientífica probablem ente no estaba m uy extendida, pero los líderes de la com unidad científica se ط tom aron en serio, tem iendo que dañara las expectativas de progresos adicionales cuando pasaran los efectos de la depresión. A unque los grandes filántropos estaban lejos de ser n tic ien tífico s , estaban influidos p o r la de- m anda general de una ciencia más hum anista y orien tada al bien com ún. Este fue un m otivo principal en la decisión de la Fundación Rockefeller de cam biar sus áreas de prio ridad de هظ ciencias físicas y quím icas, más básicas, a las ciencias que tra taban directam ente del hom bre, com o la biología, la psicología y las ciencias sociales. «La inqu ietud e incluso la alarm a están b ro tando según gana terreno ظ creencia de que las contribuciones de las ciencias físicas han despojado al hom bre de la capacidad de ab- sorberlas», escribió el presidente de la Fundación Rockefeller en 1936. «No puede ha- er m<؛’ uchas dudas de que se ha creado u n serio desfase entre nuestro ráp ido avance científico y nuestra estática evolución ética» (K evles 1987, p. 249). El desplazam iento en la política de la Rockefeller era u n asunto serio para los físicos, tan to en Am érica com o en Europa. M illikan en Caltech y Bohr en C openhague, por m encionar sólo dos ejemplos, se dieron cuenta de que podrían conseguir financiación para sus proyectos fisicos sólo si eran relevantes para problem as biológicos. En consecuencia, sostuvieron que éste era el caso, aunque en verdad, sus investigaciones sobre rayos cósm icos y reac- d o n es nucleares fúeran pu ra física.

Aun así, en 1935 Edwin Kemble de la U niversidad de Fíarvard describió la sitúa- d ó n laboral p ara los recién docto rados de física com o u n a «pesadilla», pero p o r aquel entonces las cosas em pezaban a m ejorar. Los efectos de la G ran D epresión ya no se sentían seriam ente en la ciencia estadoun idense y se in stau ró ráp idam en te un re rio d o de recuperación . La situación de em pleo para los físicos m ejoró y el núm e- ro de estudiantes de física aum en tó de m anera im portan te . D uran te 1931-1940, se


o to rgaron m ás de 1.400 doeto rados de física, el doble que en la década anterior. En 1940, ca$i 200 licenciados recibieron grados de do c to r en física en universidades de Estados U nidos (véase gráfico 2.1). El n ú m ero de m iem bros de la A m erican ?hysical Society creció linealm ente, de unos 1.300 en 1920 a unos 3.700 veinte años después. En 1941 el núm ero de físicos que trabajaban en Estados U nidos alcanzó los 4.600: casi cinco veces el n ú m ero de físicos de la U nión Soviética. El núm ero de laboratorios de investigación industria l creció de 300 en 1920 a m ás de 2.200 en 1940. En una perspectiva m ás am plia, los años de la depresión ftreron u n a ru p tu ra m en o r de una tendencia general de crecim iento en la física estadounidense. Este crecim iento y el vigor general de la física de Estados U nidos constituyeron u n factor esencial en la ha- b ilidad del país en absorber los m uchos físicos europeos que se refugiaron en los años trein ta.

M uchos de los físicos em pleados en la industria , en un núm ero estim ado en unos 1.800 a finales de los trein ta, se sentían cada vez más ftrera de la cu ltura de la física aca- dém ica y decidieron no ingresar en la A m erican Physical Society. La m ecánica cuánti- ca no sólo dio fuerzas a la teoría con respecto a la e ^ r im e n ta c ió n , sino que alienó a buena parte de la com unidad física. El potencial cism a se evitó m ediante la ftindación en 1931 del A m erican Institu te ©f Physics, una especie de organización paraguas que se ocupaba de la física tan to aplicada com o pura. Physical Review siguió siendo el es-

TABLA 17.1D istribución de artículos, según las fuentes, en las principales revistas académicas

de física en los Estados U nidos y en G ran Bretaña

Fuente, porcentaje

N ° de artículos Académicos Industriales Gubernamentales

£stad©s U nidos (Physical Review)

1930 311 88,7 7,7 3,5

1935 282 96,5 3,2 0,4

1940 290 93,4 5,5 1,0

G ran Bretaña (Philosophical M agazine y Proceedings o f the Royal Society o fLondon , c©mbinad©s)

1932 338 92,9 0,9 6,2

1936 301 93,7 2,3 4,0

N٠؛ «: En el cas© de Physical Review, sólo se incluyen ١٠؟ artículos originarios de las instituciones estadounidenses. £stos correspondían al 93 por 100 del total de artículos. Fuente: Basado en datos de Weart 1979a y Bernal 1939.


tandarte de la física académ ica estad©unidcnse, y p ron to de la física m undial tam bién. Los laboratorios industriales seguían contribuyendo sustancialm ente a la revista, pero

' m enos que en los años veinte. M uchos de sus artículos aparecían másríe n en el Journal o fA pplied Physics, u n a revista establecida p o r la A m erican Physical Society en 1931. Las cifras de d istribución de artícuíos, según las fuentes que tenga- m os, en las principales revistas de física p u ra británicas y estadounidenses se m ués- tran en la tab la 17.1. Las cifras n o son d irec tam en te com parables, pero si ind ican la bajada en la partic ipación de físicos industriales en artículos en Physical Review en los arios trein ta. Esta partic ipación era m ayor en el caso de G ran Bretaña, pero no tan m arcada a m ediados de los trein ta. Por esa época, Physical Review estaba tan clara- m ente dom inada p o r contribuciones procedentes de universidades com o sus hom ó- logas británicas.

La existencia o no de estilos nacionales en la ciencia es m ateria de debate entre historiadores y filósofos. Para m uchos físicos europeos de visita en los años veinte y treinta, parecía claro que, de hecho, existía un estilo estadounidense de física que difería del que se conocía en Europa. Por ejem plo, las fronteras entre física e industria , entre experim entales y teóricos, y entre 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 Unidos. Los estadounidenses eran más inform ales y a m enudo trabajaban en grupos sin una jerarquía estricta. Ade- más, los estadounidenses parecían m ás dispuestos a convertir su trabajo científico en patentes y, en general, a com ercializar la ciencia. N o ten ían m iedo de la publicidad y tra taban activam ente de interesar a la prensa en su trabajo, y utilizarla en su beneficio. Fn 1934, se form ó en Estados U nidos la Asociación Nacional de Escritores Científicos, . la Am erican Physical Society com enzó una cam paña de propaganda de la física. C uando la Asociación Estadounidense p o r el Avance de la Ciencia celebró su reunión había no m ,ءق 1935 enos de dieciséis reporteros presentes. Los científicos y los reporteros estadounidenses cooperaban en vender al público la física, u n fenóm eno todavía ¿esconocido en Europa. Pero lo que la m ayoría de los europeos percibia en la física es-

* era su ritm o de trabajo (trabajaban en los laboratorios hasta duran te losfines de sem ana) y su pasión po r las m áquinas grandes. Según Pranz Sim ón, un físico ¿ e bajas te m p e ra tu ra s alem án que visitó los Estados U nidos en 1932, «parece que los « tad o un idenses trabajan m uy bien, sólo que obviam ente insisten en hacerlo todo tan grande com o sea posible». U n físico belga quedó im presionado po r la «riqueza del la- O ra to rio » e inspirado p o r la «constructiva civilización del “hacia adelante” [go ahead]» H؛ eilbron y Seidel 1989, p. 36). Para m uchos europeos, tan to visitantes com o em i- ja n te s , la predilección estadounidense por las m áquinas grandes y la tecnología com - ^leja era u n síntom a de inm adurez intelectual. Los experim entales estadounidenses, . a ta b a n haciendo física o ingeniería? ¿Tenían el tiem po y la capacidad para pensar? Se- p in W alter Elsasser, «los estadounidenses están p o r lo general poco pulidos, m uy buenos trabajadores pero sin m uchas ideas en la cabeza [...] Su núm ero es im presionante, ه cierto, pero uno no debería preocuparse m ucho p o r sus instalaciones técnicas» ibid., p. 35ه ).


Migraciones intelectuales

C om o resultado de los tum ultos políticos en Europa, un gran núm ero de físicos se vio despedido, se sintió am enazado o decidió p o r otros m otivos que ya no podía quedarse en el país donde trabajaba (véase capítulo 16). La m ayoría de los físicos emigrantes eran jud íos alem anes, pero tam bién había em igrantes europeos que no eran judíos o alemanes. No todos eran refugiados, en el sentido de que hubieran sido despedidos o forzados a abandonar sus países nativos, y m uchos de los em igrantes llegaron a sus nuevos países antes de 1933, o dejaron sus patrias después de 1933 sin ser despedidos o expulsados. En la práctica, sin em bargo, eran en todo caso refugiados. Sim plem ente, decidieron irse antes de verse obligados a ello, o algo peor, y al salir por p rim era vez de A lem ania en m uchos casos no tenían posibilidad de volver, Por ejem- pío, W igner y Von N eum ann ya habían llegado a Am érica en 1930, con un acuerdo de m edio curso, con la o tra m itad de su trabajo en Alemania; técnicam ente no eran refugiados, pero tras 1933, cuando fueron despedidos de sus plazas en Berlín, no podían volver a Alemania. George Hevesy, el quím ico y físico jud ío húngaro profesor en la U niversidad de Friburgo, no fúe despedido y al princip io quiso quedarse en Alemania; pero en mayo de 1933, tras ser testigo de la p rim era andanada de despidos de judíos, decidió que era poco seguro quedarse y se fue a Copenhague.

M uchos de los físicos refugiados em igraron al principio a países cercanos, com o Di- nam arca, Suiza, Países Bajos o Francia, pero en la m ayoría de los casos se quedaron en éstos sólo duran te un breve periodo, para luego proseguir hacia Gran Bretaña o Esta- dos Unidos; o, en m uchos casos, p rim ero hacia G ran Bretaña y luego a Estados Uni- dos. Hevesy, que se quedó en D inam arca hasta 1943 y huyó después a Suecia, fue una excepción. Un grupo m enor de científicos y académ icos desplazados, incluyendo al fí- sico R ichard von Mises y al astrónom o Erw in Lreundlich, se fueron a la recién reorga- nizada universidad de Estam bul, pero en la mayoría de los casos tan sólo para proseguir hacia Estados U nidos u otros sitios. Las condiciones en Estam bul no eran satisfactorias, entre otros m otivos porque toda la docencia debía im partirse en turco. Además, la m ayor parte de los físicos con esperanzas de encontrar refugio perm anente en la U nión Soviética quedaron decepcionados. Después de 1937 ftieron o bien despedidos, exiliados o encarcelados. O tra posibilidad m ás para los científicos jud íos desplazados era la U niversidad Hebrea de Jerusalén, donde los sionistas (entre ellos Einstein) inten taban establecer un potente claustro científico. A unque unos tre in ta países acogieron a físicos desplazados entre 1933 y 1945, las naciones receptoras de físicos emigrantes más im portan tes fueron, con m ucho, G ran Bretaña y Estados Unidos. La tabla 17.2 m uestra un núm ero de físicos selectos que em igraron a uno de estos dos países.

M uchas organizaciones académ icas nacionales e internacionales respondieron rá- p idam ente a la despedida de académ icos alem anes y a la supresión de la libertad aca- dém ica. Sin em bargo, duran te m uchos años existió la tendencia de evitar la crítica directa de tipo político, y un deseo de tra ta r con las cuestiones de principios de una m anera bastante abstracta. Eran com unes las declaraciones solem nes sobre la libertad intelectual y la in ternacionalidad y neu tralidad de la ciencia, pero la acción o la crítica


TABLA 17.2D estinos de los físicos europeos em igrantes

Gran Bretaña EEUU EEUU vía Gran Bretaña

M. B orn ' (G) V. B argm ann (G) G. Beck (A)

P. P. Ewald (G) F. Bloch* (S) H . Bethe* (G)

H. Fróhlich L. B rillouin (F) F. E hrenhaft (A)

R. F ü rth (G) P. D ebey t (N) O. Frisch (A)

D. Gabor* (G) M. Delbrück* (G) K. Fuchs (G)

W. H eitler (G) A. E inste in f (G) G. H e rtz t (G)

N. K em m er (G) W. Elsasser (G) F. L ondon (G)

N. K urti (G) E. F erm if (I) E. R abinow itch (G)

k . M endelssohn (G) J. F ranck f (G) O. Stern* (G)

E. S chrod ingert (A) G. Herzberg* (G) L. Szilard (H )

F. Sim on (G) R. L andenburg (G)

A. L an d é(G )

E. Segré* (I)

L. Tisza (H)

V. W isskopf (G)

E. Wigner" (H )

E. Teller (G)

Sota: Las personas señaladas con una daga eran premios Nobel cuando emigraron; aquellos con un asterisco recibieron el premio Nobel después de emigrar. La letra posterior al nombre da la nacionalidad en el mom ento de la emigración: A = austríaco; F = francés; G = alemán; H = húngaro; I = italiano; N = holandés; S = suizo

com unes lo eran m uchos m enos. Esta crítica ab ierta procedía sobre todo de los m ismos científicos, raras veces de sus organizaciones profesionales. Por ejem plo, en 1934 un grupo de distinguidos académ icos europeos, que incluía a Ernest R utherford, Paul Langevin y Jean Perrin, condenó lo que consideraban el m al uso de la ciencia en Alem ania, en concreto, que «las ciencias exactas se hayan degradado abiertam ente para acabar sirviendo a las industrias bélicas» y que «sólo se favorezcan las investigaciones que p roporcionen con cierta certeza u n avance técnico directo» (W einer 1969, p. 209). Por supuesto, en unos pocos años, los físicos británicos y estadounidenses estaban por su parte trabajando con entusiasm o para «degradar» exactam ente las ciencias exactas al servicio del ejército. O tro m anifiesto, firm ado p o r más de mil científicos estadounidenses, condenaba el m ovim iento de física aria com o «un ataque contra la física teó rica, y por im plicación obvia, contra la teoría científica en general» (ibid .). Incluso esta crítica era bastante blanda, pero los científicos y sus organizaciones poco pod ían hacer para cam biar la situación en Alemania. Lo que sí podían hacer era ayudar a sus desafortunados colegas refugiados con dinero y plazas. En este sentido, los físicos reaccionaron rápida y eficazm ente, dem ostrando con la práctica que la «com unidad interna-


،:fonal de físicos» era m ás que una m era frase cerem onial. En 1933-1934 los físicos de fuera de A lem ania form aron 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 donaciones de fundaciones privadas. M u- chos científicos accedieron a pagar entre u n 1 y u n 3 po r ل(آر ) de sus salarios por esta noble causa. En 1933 los académ icos alem anes refugiados organizaron la N otgem einschaft deutscher W issenschaftler im Ausland (Sociedad de Em ergencia para los Cien- tíficos Alemanes en el Extranjero), con sede prim ero en Zurich y m ás adelante en Lon- dres, donde la organización recibió ayuda de sociedades académ icas británicas.

En Inglaterra, el Academic Assistance C ouncil (AAC) (Consejo de Asistencia Acá- dém ica) se estableció en 1933 com o u n cuerpo coord inador que in ten taba encontrar plazas tem porales para científicos refugiados. Su propósito era «defender el principio de libertad académ ica y ayudar a aquellos académ icos y científicos de cualquier nació- nalidad a los que, p o r m otivos de religión, raza u op in ión poil'tica, se les im pide continuar su trabajo en sus propios países» (W einer 1969, p .2 1 1 ).A l AAC se le cam bió más adelante el nom bre p o r el de Society for Protection (آل Science and Learning. Su p rim er presidente fue R utherford y entre los partidarios m ás activos del consejo estaba Leo Szilard, el físico jud ío húngaro que había em igrado de Alem ania a Inglaterra después de que H itier llegara al poder. Según un estudio, sesenta y siete físicos de Europa centra l llegaron a G ran Bretaña, y de éstos, casi la m itad em igró a otros países, en la m a- yoría de los casos a los Estados Unidos, © tro estudio m uestra que el 37 po r 100 de los científicos e ingenieros em igrantes al princip io buscaron el exilio en G ran Bretaña y, algunos m enos, el 35 p o r 100 en los Estados Unidos. El sistem a universitario estadounidense, m ayor y más dinám ico, estaba m ás adecuado para absorber 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 Bre- taña. Esto estaba en concordancia con la política del AAC, que preparaba un apoyo tem poral y anim aba abiertam ente a los científicos refugiados a que siguieran y cruza- ran el Atlántico para buscar plazas perm anentes. El AAC se describía a sí m ism o com o una cám ara de com pensación bancaria y proclam aba claram ente que «Estados Unidos es el principal país de destino» (H och 1983, p. 230).

La tnayoría de los inm igrantes británicos vivían de becas tem porales de investiga- ción y sólo unos pocos obtuvieron plazas académ icas perm anentes antes del estallido de la guerra. La integración en la física británica era difícil, y sólo había un núm ero m uy lim itado de trabajos. Quizá la disposición a encon trar trabajos en G ran Bretaña era tam bién lim itada. C uando el físico alem án George Jaffé in ten tó encon trar un trabajo en G ran Bretaña en 1933, le inform aron: «Me parece que existe una fuerte sensa- ción de que el colegio [universitario] ya ha absorbido su cuota y que no se pueden so- pesar nuevas solicitudes. No hay duda de que esta sensación se debe sobre todo a un m iedo de que estas adm isiones acaben probabiem ente reaccionando desastrosam ente con las perspectivas, ya escasas, de em pleo y prom oción de nuestros propios licenciados y profesores» (Rider 1984, p. 131). Hasta los físicos famosos tuvieron dificultades en encon trar plazas perm anentes. En 1933 M ax Born aceptó una oferta para ir a la


Universidad de C am bridge, sin saber por cuánto tiem po sería el contrato. Consideró plazas en sitios rem otos com o Bangalore y M oscú, y se quedó m uy aliviado cuando en 936 se le ofreció la cátedra de filosofía natural (física teórica) en la Universidad de

Edim burgo.La difícil situación en C;ran Bretaña se alivió con la fundación de un program a para

fisicos y quím icos desplazados establecida po r la gran Im perial Chem ical Industries ICI) en 1933. La ICI p roporcionó u n gran núm ero de becas de dos o tres años de du-

ración, en parte, pero no sólo, a científicos expertos en tem as de interés para la com - pañía. Entre los becarios ICI estuvieron Schródinger, Franz Sim ón y Fritz London. Un resultado notable de la generosidad de ICI fue que la física de bajas tem peraturas se convirtió en una especialidad británica, sobre todo gracias al trabajo de em inentes fí- sicos refugiados com o Kurt M endelsohn y Simón. C uando se declaró la guerra, m u- chos de los refugiados alem anes y austríacos fueron in ternados com o extranjeros ene- migos, a veces en duras condiciones. A algunos se les in ternó en Ciran Bretaña, pero otros fueron deportados a C anadá, entre ellos los jóvenes físicos austríacos W alter Kohn y H erm ann Bondi. Kohn fue a los Estados U nidos, donde se convirtió en u n im - portan te teórico del estado sólido, m ientras que Bondi regresó a Inglaterra, donde co- m enzó su distinguida carrera en cosm ología y relatividad.

La organizaciones de ayuda en los Estados Unidos seguían el pa trón de Inglaterra, con el Emergency C om núttee in Aid o f Displaced G erm án Scholars asum iendo el papel correspondiente al de ط AAC. El Emergency C om m ittee típicam ente proporcionaba becas para apoyar a científicos em igrantes en universidades que no contaban con fondos para las plazas. Algo del dinero procedía de contribuciones individuales de científicos estadounidenses y una gran parte de becas ' po r la Fundación Roc'ke-feller y otras fiiantropías. La Fundación Rockefeller estableció u n Fondo Especial de Ayuda a la Investigación para Académicos Desplazados, que, entre 1933 y 1939, pro- porcionó 775.000 dólares en becas. Los estadounidenses eran m uy conscientes de las apuradas situaciones económ icas de sus universidades, y tam bién del peligro de con- flictos entre científicos foráneos y jóvenes estadounidenses buscando trabajo. Por este motivo, el apoyo del Emergency Com m ittee se restringía a «académicos m aduros de distinción que ya cuenten con reputación», m ientras que los científicos jóvenes, que po- dían com petir con los solicitantes estadounidenses con mayor probabilidad, tenían me- ñor prioridad. La mayoría de los físicos de Europa central que obtuvieron plazas en universidades de Estados U nidos tenían tre in ta o cuarenta años.

U no de los problem as que encon traron los físicos refugiados europeos fue el antisem itism o que existía en m uchas universidades estadounidenses. Este fenóm eno no era nuevo ni, p o r supuesto, u n problem a sólo para los em igrantes europeos. En 7 ل9ق Kemble recom endó a Eugene Feenberg, un físico jud ío ' 'te cualificado, para plazas fuera de H arvard, donde Feenberg había term inado su doctorado, dirigido po r Kemble. Feenberg, escribia Kemble in ten tando ser de ayuda, «es un tejano alto y delgado, y no parece un hebreo neoyorquino ni actúa com o uno de ellos». La carta de recom endación no sirvió de nada. «Es prácticam ente im posible para


nosotros em plear a u n hom bre de origen hebreo [...] en una institución sureña», le inform aron a Kemble desde la Universidad de C arolina del N orte (Kevles 1987, p. 279). James Franck, el p rem io Nobel reftrgiado, se quejó de un creciente antisem itism o en £stados U nidos y creía que la hostilidad contra los judíos no era m enor de la existente en Alem ania antes de 1933.

A pesar de los m uchos problem as que los físicos em igrantes encontraban al llegar a £stados Unidos, la asim ilación fue notablem ente bien para la m ayoría de los cien físi- eos, ' que llegaron a £stados U nidos desde Europa entre 1933 y 1941.Un m otivo principal de este éxito fue la recuperación que la física estadounidense experim entó tras la depresión, que colocó a los departam entos de física de Estados Uní- dos en una situación económ ica m ejor que la m ayor parte de los europeos. M uchos de los em igrantes eran teóricos y estaban acostum brados no sólo al alto nivel de la física teórica alem ana, sino a la más estricta separación entre experim entales y teóricos que existía en Europa. Al llegar a Estados Unidos, los em igrantes contribuyeron a aum entar el interés po r la física teórica, elevando su nivel, y p ron to aprendieron a apreciar la falta de separación clara entre teóricos y experim entales que caracterizaba a m uchas universidades estadounidenses. Hans Bethe, uno de los físicos refugiados m ás im portantes, encontró ط atm ósfera de la U niversidad de Cornell m ucho m ás estim ulante que ظ de las universidades europeas. En Europa, recordaba, «era costum bre [...] dejar que el profesor se dirigiera a la clase y hablara y escribiera form alm ente en la pizarra y lúe- go se fuera. Los estudiantes escuchaban e in ten tarían en tender [...] aquí, cuando u n estud ian te quiere, form ula una pregunta. Creo que es m ucho mejor.» (W einer 1969, p. 223). Estados U nidos le dio m ucho a Bethe, y él le dio m ucho a cam bio. Stanley LÍ- vingston, que trabajó con Bethe duran te u n tiem po, recordaba que «[Bethe] m e ayudó a in tu ir los fundam entos de la física, y lo que pasaba en la física nuclear [...] Oí hablar de m uchos nuevos tipos de conceptos, com o m om entos m agnéticos y aspectos cuán- ticos, de los cuales nunca había oído cuando estaba con Lawrence [en Berkeley]. Era u n en to rno distinto, ahora estaba siguiendo a u n académ ico y estaba m uy im presionado» (Stuewer 1984, p. 34).

N o puede haber duda de que la física estadounidense resultó m uy fortalecida p o r el flujo de em igrantes europeos. Especialm ente en m uchos cam pos teóricos, com o la

' cuántica, la teoría nuclear, la relatividad y la teoría del estado sólido,los em igrantes resultaron ser una preciosa adquisición. Sin em bargo, pud ieron florecer en el en to rno estadounidense sólo porque ya existía una fuerte base, tan to -nstitucio؛ nal com o intelectual, y tan to en teoría com o en experim entación. Al contrario de lo que frecuentem ente se cree, Estados U nidos no se convirtió en la nación líder en in- vestigación física sim plem ente por su ganancia de cerebros. En 1936 Newsweek podía declarar orgullosam ente (y tam bién correctam ente), «los Estados U nidos lideran la fí- sica m undial». El liderazgo se vio fortalecido po r la ola de em igrantes europeos, pero fue creado sobre todo por físicos estadounidenses y los im presionantes logros de este país en educación superior e instituciones científicas. A los em igrantes se les dio la bienvenida a las universidades estadounidenses en parte por sentim ientos hum anita-

Tga y ganancia de cerebros 247

ríos generales y en parte porque los físicos y adm inistradores científieos de Estados Unidos se dieron euenta de que serían una valiosa eontribución al sistem a de investí- gación. Los m otivos no fueron políticos en el sentido de que Estados Unidos quisiera despojar a A lem ania de sus m ejores cerebro,؟, pero cuando sobrevino la guerra, quedó claro que esto fue un prem io adicional. En jun io de 941 ا, en u n m om ento en el que Estados U nidos era todavía form alm ente un país neutral, este resultado estratégico de la m igración individual fue señalado por un profesor, G ortner, en una earta al presidente del Emergeney (؛؛om m ittee, Stephen Duggan. G ortner razonaba así: «Creo fírm e- m ente que podríam os reducir los logros tecnológicos de Europa central al nivel de los logros tecnológicos de España o Portugal si pudiéram os desplazar a m il de sus hom bres estratégicos, que son líderes en el cam po de las cieneias naturales, y a largo م/اأاتا la batalla p o r la dem ocracia sería ganada m ás económ icam ente haciendo justam ente esto y los resultados serían m ucho más perm anentes de lo que podría alguna vez conseguirse con los miles de m illones de dólares que estam os encauzando hacia nuestro progra- m a de defensa» (Fischer 1988, p. 84). U na interesante reflexión, pero no fue así com o acabaron sucediendo las cosas.

Los físicos em igrantes eran personas, no sólo cifras estadísticas. C onsiderem os com o ejem plo el destino de Fritz London, un físico alem án jud ío nacido en Polonia en 1900. London, que había em pezado su trayectoria académ ica com o estudiante de filo- sofía, llevó a cabo im portan tes trabajos en m ecánica cuántica y trabajó en Zurich con Schródinger, a quien siguió a Berlín. D uran te su periodo en Zurich en 1927 escribió, con Heitler, el artículo p ionero de la quím ica cuántica, explicando por prim era vez el enlace covalente en térm inos de la m ecánica cuántica. D urante sus años en Berlín, se ocupó sobro todo de problem as de física quím ica. En Í933, London tenía una repu- tación de físico original y em inente, aunque no tan ta com o el calibre de u n prem io No- bel (sería nom inado para el prem io una vez, pero en Q uím ica). Con la in troducción de las leyes nazis de 1933, se vio forzado a pedir la excedencia de la U niversidad de Ber- lín, lo cual significaba en realidad un despido. C om o m uchos de sus colegas, recibió a}mda de la red inform al de física y en agosto de 1933 obtuvo una beca ICI en la Uni- versidad de ©xford. U na vez en Inglaterra, cam bió sus intereses hacia la física de bajas tem peraturas y pasó a ser m iem bro del grupo form ado alrededor de Sim ón y M endelssohn. Junto con su herm ano m enor Heinz, o tro m iem bro refugiado del grupo de Oxford, London desarrolló la p rim era teoría (m acroscópica) exitosa de la superconductividad. A unque fructífera científicam ente, la estancia de London en Inglaterra no fue feliz, y después de tres años se le in form ó de que la beca ICI se había in terrum pí- do sin posibilidades de extensión. Consiguió ob tener una plaza de investigación en el Institu í H enri Poinearé en París; para eJ p rim er año recibió un beca del C om ité F ran؟ ais d ’Accueií aux Savants Etrangers (C om ité Francés de Ayuda a Académicos Ex- tranjeros), la contraparte francesa del ٨ ٨ (]. En París prosiguió sus estudios sobre superconductiv idad y superfluidez. A London le gustó París y declinó u n a oferta para ir a la Universidad H ebrea de Jerusalén, pero en 1938 aceptó la plaza de profesor visitan- te para el curso 1938-1939 en la Universidad Dulce en C arolina del N orte. De vuelta a


Europa, recibió una nueva oferta de f-)uke, esta vez para u n a plaza perm anente com o profesor de quím ica teórica. Partió 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 asi- m ilaron rápidam ente en el en to rno estadounidense, pero no todos lo pud ieron hacer tan fácilm ente com o Bethe, Ferm i o Weisskopf. London estaba p rofundam ente nm؛ erso en la cu ltura intelectual europea y notaba fuertem ente las diferencias entre su m undo y el del sur estadounidense. Escribió a Frédéric Joliot: «Soy dem asiado europeo para conseguir entusiasm arm e con la vida aquí, la cual es dem asiado tranqu ila hasta para esos infantiles adultos [...] M e parece que la gente aquí carece de pasiones salvo para el bridge y el fútbol» (Gavroglu 1995, p. 169).

CAPÍTU LO 18

Del enigma del uranio a Hiroshima

El camino a la fisión

Tan pronto 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 un efectivo proyectil en reacciones nucleares. Las prim eras transm utaciones que se hicieron públicas, en 1932- 1934, utilizaron neutrones rápidos incidiendo sobre núcleos ligeros, com o el aluminio. Los resultados eran procesos (n,a ), (n,p) y (n,y), es decir, la expulsión de partículas alfa, p ro tones o radiación gamma. Por aquel entonces, Fermi y su grupo en Roma comenzaron un estudio sistemático de las reacciones de los neutrones con todos los elementos del sistema periódico a partir del hidrógeno. Com 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 puram ente accidental) que los neutrones que habían pasado a través de parafina, m adera o agua eran m ucho más efectivos a la hora de producir isótopos radiactivos. Concluyeron que los neutrones se habían frenado en colisiones con núcleos de hidrógeno. Experimentos adicionales confirm aron que los neutrones lentos se capturaban más fácilmente que los rápidos. Cuando los italianos bom bardearon uranio con neutrones lentos, consiguieron identificar varios productos que em itían rayos beta, uno de ellos con una vida media de 13 m inutos. Fermi, Franco Rasetti y Oscar D’Agosti- no hallaron que la actividad no podía deberse a isótopos entre el uranio y el plomo, y que esta evidencia negativa «sugería la posibilidad de que el núm ero atómico del elemento sea superior a 92» (W ohlfarth 1979, p. 58). El anuncio llegó a los titulares de prensa, y en Italia se celebró como un gran triunfo de la cultura fascista. Aunque perturbado por la p u blicidad, Fermi creía que había m anufacturado los prim eros elementos transuránicos. En diciembre de 1938, en su discurso Nobel en Estocolmo, habló con confianza sobre el «au- sonio» y el «hesperio», los nom bres utilizados en Roma para los elementos 93 y 94.

El anuncio de 1934 por parte de Roma causó que O tto H ahn y Lise M eitner en el Institu to de Q uím ica Kaiser W ilhelm de Berlín em prendieran u n trabajo similar. El


instituto, que se había fundado en 2 ل9ل , estaba financiado p o r aquel entonces sobre todo por la industria quím ica, directa o indirectam ente p o r la com pañía i. G. Farben, la gigantesca em presa quím ica alem ana. Al princip io M eítner y H ahn creían haber encontrado tam bién elem entos transuránicos, e in form aron en 1935 «parece m uy probable que las actividades de 3ل y 90 m inutos sean elem entos más allá del núm ero 92“

■ · ' 197], p. 24). For o tra parte, los resultados de Ferm i fueron criti-cados p o r Ida N oddack (de apellido de soltera, Tacke), u n a quínnca alem ana que, jun- to con su d ifun to esposo W alter N oddack, había descubierto el elem ento renío en 1925. Ida N oddack pensaba que las conclusiones de Ferm i no tenían n inguna base y negaba que se hubieran producido elem entos transuránicos. Después de todo, aducía, no se conocía casi nada sobre reacciones nucleares inducidas po r neutrones así que, ¿por que suponer que el p roducto estaba al final de la tabla periódica? «Es concebible», escribió, «que en el bom bardeo de núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se rom pan en varios fragm entos grandes que en realidad son isótopos de elem entos conocidos, pero no son vecinos de los elem entos irradiados» (W ohlfarth 1979, p. 63). La anticipación de N oddack de la fisión nuclear no tuvo n ingún im pacto en lo que sucederia. A unque se publicó en una revista de quím ica (Zeitschriftfür angewandte Chemie), tan to Fermi com o H ahn y M eitner la conocían, pero no se tom aron la sugerencia en serio. No sólo el artículo de N oddack era altam ente critico y su sugerencia especulativa, sino que la reputación científica de la au to ra había sido algo dañada po r su controvertida afirma- ción de haber descubierto el elem ento 43 (que ella denom inó m asurio y ahora se conoce com o tecnecio, p roducido po r prim era vez en 1937 p o r E. Segré y Cario Ferrier . N oddack no fue «rehabilitada» com o precursora de la hipótesis de la fisión hasta lo؛ años noventa.

A p artir de 1935, los centros de investigación del u ran io se m udaron de Roma ة Berlín y Farís, y los dos grupos iniciaron lo que puede describir más com o una rival؛- dad que u n a cooperación. A unque los grupos de Farís y Berlín eran, con m ucho, lo؛ m ás im portantes, no eran los únicos interesados en el u ran io irradiado con neutrones- Por ejem plo, en Berkeley, Philip Abelson in ten taba identificar los p roductos supuesta- m ente transurán icos m ediante el m étodo de espectroscopia de rayos X, que estaba com probado y era preciso. Sin em bargo, al buscar núm eros atóm icos mayores que 92. Abelson no pudo in terp retar correctam ente sus líneas de rayos X. C uando se hizo ،ح nocida la hipótesis de la fisión, Abelson encontró rápidam ente evidencia del telurio ٢ así confirm ó la hipótesis. En Berlín, H ahn y M eitner realizaron num erosos expen- m entos, propusieron elaborados esquem as de desintegración, e im aginaron una varié- dad de hipótesis para aclarar lo que sucedía cuando se bom bardeaba uranio con neutrones. D espués de dos años de arduo trabajo, su principal conclusión fue decepcionante que el u ran io irrad iado producía productos com plejos de naturaleza desconocida, probablem ente incluyendo algunos isótopos transuránicos. Pero no todo su trabajo fue en vano. U na de sus hipótesis era que ؛0؟ productos del u ran io eran isóm eros de u ra n ia es decir, isótopos con diferentes vidas m edias pero con el m ism o núm ero de protones y neutrones. Por aquel entonces, la isom ería nuclear no se aceptaba m ayoritariam ente.

Del enigma del uranio a Hiro$hima 251

y el único caso conocido (y controvertido) era el «uranio z» del que H ahn había inform ado com o un isúm ero del protactin¡© en 1921.

El trabajo de H ahn y M eitner probó la ex؛$tencia de los isóm eros pero no resolvió el enigm a del uranio. En ?arís, Irene Joliot-C urie trabajaba en el m ism o problem a pero adoptando un enfoque algo distinto. En 1937, ju n to con ?ave؛ Savitch, u n físico yu- goslavo que trabajaba en París, in form ó sobre una sustancia con u n a vida m edia de 3,5 horas en uran io irradiado. Al princip io pensaron que era torio , pero después de traba- ios adicionales concluyeron en octubre de 1938 que seguía al lan tano en separaciones quím icas y era p o r tan to posiblem ente el actinio (aunque «en general las propiedades de R 3,5 hr son las del lantano»). Entonces, en el tercer asalto, sugirieron que la sustancia de 3,5 horas no podía ser u n isótopo del actinio, sino que probablem ente era un nuevo elem ento transuránico . Si hubieran sugerido que la cercana sim ilitud quím ica con el lantano era evidencia de un isótopo del lantano con una vida m edia de 3,5 horas, podrían haber descubierto la fisión. Pero no lo hicieron. Los resultados de C urie y Savitch desconcertaron al equipo de Berlín, el cual se había am plios a p artir de 1935 con la inclusión de Priedrich S trassm ann, un quím ico analítico. M ientras deliberaban ?obre cóm o en tender los experim entos de París, M eitner decidió ' en julio de 1938; la tarea de encon trar u n a solución quedaba ahora en m anos de H ahn V Strassm ann. Sin em bargo, se com unicaban po r correo con M eitner, que oficiosa- m ente pertenecía todavía al g rupo de Berlín.

Pue el in ten to de explicar los resultados de C u r؛e-Sav؛tch lo que llevó a H ahn y Strassm ann a la fisión. Entre las actividades resultantes del bom bardeo del u ran io con neutrones, encon traron una que se precipitaba con el bario y, p o r tanto , concluyeron que se tra taba probablem ente de u n nuevo isótopo del radio. Les parecía que el isóto- po parecido al lan tano podría ser actinio, creado a p a rtir del radio p o r '^ t a . Pero ¿podía producirse radio a p a rtir de uran io m ediante la em isión de dos par- aculas alfa? Bohr, M eitner y o tros teóricos lo negaban, y H ahn y Strassm ann volvieron laboratorio. A principios de diciem ف bre de 1938 em pezaron a darse cuenta que lo que .êían que era radio se com portaba bastante com o el bario, m ucho m ás de lo que po- dría esperarse a p a rtir de la sim ilitud quím ica de los dos elem entos. Si así fuera, la sustancia de Curie-Savitch podía ser lantano, p roducido po r bario con actividad beta. El -S de diciem bre de 1938 tenían evidencia experim ental de que lo que se com portaba como bario era, con toda probabilidad, bario. Pero parecía increíble que el u ran io se transform ara en u n elem ento m ucho m ás ligero, y a H ahn le costó form ular la con- clusión. «Quizá podrías p roponer algún tipo de explicación t'؛urtástica», escribió a '.le itner el 19 de diciem bre. «Por nuestra parte, sabem os que [el uranio] no puede en realidad reventar para form ar bario» (W eart 1983, p. 112). H asta en el artículo de H ahn y Strassm ann de 6 de enero de 1939, los dos autores evitaron una afirm ación cía- ra de que se había p roducido bario m ediante uran io irradiado con neutrones. «Como químicos», escribieron, «deberíam os reem plazar los sím bolos Ra, Ac y Th [...] en [nuestro] esquem a [...] p o r Ba, La y Ce... [Pero] com o quím icos nucleares, ín tim a- m ente asociados a la física, no podem os decidirnos a tom ar este paso en contradicción


con toda experiencia previa en física nuclear» (W ohlfarth 1979, p. 58). Pero ahora atis- baban una posible exîcación . H abían encontrado entre los supuestos elem entos tran- suránicos uno que se parecía al rcni©. Si el «radio» era bario, entonces el «renio transu- ránico» podía ser un hom ólogo inferior del renio, es decir, el elem ento 43, m asurio (Ma). C om o com entaron H ahn y Strassm ann: «¡La sum a de los núm eros másicos Ba + Ma, es decir, p o r ejem plo 138+101, da 239!».

Esta inspiración de que el núcleo de uranio podría partirse al capturar un neutrón lento fue obtenida por prim era vez por M eitner y su sobrino O tto Frisch, am bos refugiados del Tercer Reich. Prisch trabajaba con Bohr en Copenhague y su tía estaba en Es- tocolm o, donde ocupaba una plaza en el instituto M anne Siegbahn. C uando los dos se encontraron a finales de diciem bre de 1938 para pasar las vacaciones de Navidad en Kungalv, cerca de G otem burgo, todavía no habían recibido una copia del artículo de H ahn y Strassm ann. Pero sabían de sus resultados e in tentaron imaginarse lo que suce- día en el núcleo de uranio 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 tom ando form a la idea de que esto no era un desgajamiento o fractura del núcleo, sino un proceso que había que explicar m ediante la idea de Bohr de que el núcleo era com o una gota líquida; una gota de este tipo podría alargarse y dividirse» (Frisch y W heeler 1967, p. 276). El m odelo nuclear de la gota líquida se rem ontaba a trabajos de Gam ow en 1929 y duran te la siguiente década fue desarrollado po r Bohr, Von Weizsacker y otros. La ver- sión de Bohr de 1936, conocida com o el núcleo com puesto, era particularm ente ím portante y m uy adecuada para ilum inar el m ecanism o de las reacciones neutrónícas. La teo- ría del núcleo com puesto era bien conocida para Frisch, que se dio cuenta de que podría proporcionar una explicación de la anom alía de H ahn-Strassm ann. El proceso de divi- sión se denom inó «fisión», un nom bre sugerido a Frisch por un biólogo estadounidense que trabajaba en el instituto de Bohr. M eitner y Frisch publicaron la prim era hipótesis de fisión en una carta a Nature el 16 de enero de 1939. La hipótesis era que el núcleo de uranio «tras la captura del neutrón, se divide en dos núcleos de tam años aproxim adam ente iguales». Además, la fisión sería un proceso violento: «Los dos núcleos se repelerán m u- tuam ente y ganarán una energía cinética total de unos 200 MeV, según se puede calcular del radio nuclear y la carga. Esta cantidad de energía en realidad podría esperarse que es- taría disponible debido a la diferencia en la fracción de em paquetam iento entre el uranio y los elementos en la m itad del sistema periódico» (Graetzer y A nderson 1971, p. 52). M eitner y Frisch tam bién utilizaron la ocasión para sugerir que el torio experim entaba una fisión similar a la del uranio. H abían sugerido privadam ente a H ahn y Strassmann que buscaran gases nobles radiactivos (criptón y xenón) com o productos de la fisión, y cuando Strassm ann encontró los gases, la hipótesis de la fisión encontró un cimiento. Es notable que el descubrim iento de la fisión, uno de los más im portantes de la física del siglo XX, se deba a dos quím icos trabajando en un laboratorio de quím íca, y no a físicos nucleares. De hecho, el descubrim iento sorprendió a la com unidad física. Ni siquiera los físicos de Berlín eran conscientes de que algo altam ente interesante estaba sucediendo en el Instituto de Q uím ica Kaiser Wilhelm.

Del enigma del uranio a Niroshima 253

Más que tonterías

Las noticias sob re la ru p tu ra del núcleo de uran io se propagaron rápidam ente en la com unidad física internacional. La ru ta com enzó en C openhague, donde Frisch había discutido el asunto con Bohr, que estaba preparándose para irse a Bstados Unidos. Bohr quedó m uy sorprendido, pero aceptó inm ediatam ente la hipótesis de la fisión. Estaba, com o Frisch escribió a M eitner el 3 de enero de 1939, «tan sólo asom brado de que no hubiera pensado antes en esta posibilidad, que se sigue tan directam ente de las

' actuales de la estructu ra nuclear», es decir, el m odelo de núcleo com - puesto (Stuewer 1994, p. 78). Bohr y su colaborador, Léon Rosenfeld, llegaron a Nue- va York el 16 de enero de 1939, y Rosenfeld fue d irec tam ente a ? rin ce to n , donde discutió las conclusiones obtenidas en A lem ania, Suecia y D inam arca. El anuncio, rea- .z ad o antes de que el artículo de M eitner y Frisch se publicara, causó sensación. Fer- a i , John W heeler y otros físicos estadounidenses em pezaron inm ediatam ente a traba- ·ar en el proceso de fisión. A finales de enero de 1939, Bohr acudió a la Q uinta Conferencia de W ashington sobre Física Teórica, donde debatió con Ferm i el nuevo :po de proceso y Bohr lo explicó cualitativam ente desde el p u n to de vista del m odelo

ze la gota líquida. «Todo el asunto fue una noticia bastante inesperada para todos los presentes», tres físicos estadounidenses in form aron en el ejem plar del 15 de febrero de Physical Review. La fisión era todavía una hipótesis, y la prim era fase del trabajo, tan- *o en Europa com o en Estados U nidos, y se tra taba de verificar la sugerencia de M eit- -e r y Frisch. U tilizando diferentes m étodos, esto se realizó en uno o dos meses, prim e- ro po r Frisch en C openhague, que utilizó un oscilógrafo para registrar los pulsos eléctricos producidos p o r los fragm entos de la fisión en una cám ara de ionización. Poco después, los físicos de Berkeley Dale C orson y R. T horn ton produ jeron la prim e- ra prueba visual de la fisión m ediante una fotografía de cám ara de niebla.

A finales de febrero, ya no había duda alguna sobre la realidad de la fisión del uranio, y com enzó una segunda fase, que se ocupaba de la posibilidad de una reacción en cadena autom antenida. La posibilidad de una reacción en cadena no se les había ocurrido a Frisch ni a M eitner. La posibilidad parece haber sido sugerida a Frisch po r C hristian M oller en C openhague, pero al princip io Frisch no la tom ó en serio. Después todo, todavía no ءف había indicios de neutrones secundarios. Sin em bargo, quedó pronto claro que si una reacción de fisión no resultaba sim plem ente en dos fragm entos nucleares, sino tam bién en uno o más neutrones, una reacción en cadena podía ser una posibilidad. John D unníng, un físico de la Universidad de C olum bía, estuvo entre ■os prim eros en confirm ar la hipótesis de fisión de M eitner-Frisch, cosa que hizo el 25 de enero de 1939. C om o escribió en su cuaderno de laboratorio de esa fecha: «Cree- mos haber observado un nuevo fenóm eno con extensas consecuencias. [...ا ¡La ener- gja atóm ica existe realmente! [...]. ¡Los neutrones secundarios son enormemente impor- :.i’ites! Si se em itieran harían posible una reacción neutróníca au tom antenida, que desde ]932-1935 he considerado la principal esperanza para “q uem ar” m ateriales con neutrones lentos y liberar energía atóm ica» (Badash, H odes y Tiddens 1986; cursiva en ي original). La liberación de energía p o r proceso de fisión, estim ada correctam ente por


M eitner y Frisch en unos 200 MeV fue m edida po r físicos en las universidades de Co- ium bia y Princeton en la prim avera de 1939. Am bos grupos hallaron que los dos frag- m entos de la fisión ten ían masas desiguales y que la energía cinética de los fragm entos era cercana a 175 MeV. Esto dejaba unos 25 MeV para otros productos, incluyendo neutrones adicionales. La producción de estos neutrones fue m ostrada p o r prim era vez en m arzo de 1939 p o r F’rédéric Joliot y sus colaboradores Fíans von Flalban y Lev Ko- warski, y algo m ás tarde p o r dos grupos estadounidenses. Los fí،sicos franceses conciu- yeron que un núm ero prom edio de 3,5 neutrones se liberaba p o r fisión, una cifra que p ron to se corrigió a 2,4. Lo im portan te era que los neutrones adicionales se producían en un núm ero que podría hacer posible una reacción en cadena. A p a rtir de consideraciones teóricas, sin em bargo, Bohr sospechaba que el isótopo uranio-238, m ucho m ás com ún, no se fisionaría con neutrones lentos, sino sólo el m ás raro (0,7 po r 100) isótopo uranio-235. Bohr publicó su sugerencia en una no ta breve el 15 de febrero. F ronto recibió apoyo de argum entos teóricos adicionales, Sitien carecía de confirm a- ción experim ental. Sólo en m arzo de 1940 los experim entos p robaron que Bohr tenía razón. £1 nuevo conocim iento parecía im plicar que cualquier aplicación práctica de la energía de fisión sería extrem adam ente difícil y costosa.

En 1939, las especulaciones sobre la energía subatóm ica estaban lejos de ser algo nuevo. A p a rtir del descubrim iento de la radiactividad, m uchas personas, científicos y no científicos, habían sugerido que una nueva y potente fuente de energía se escondía en el in terio r del átom o. En 1903 Soddy describía la tierra dram áticam ente com o un «almacén repleto de explosivos, inconcebiblem ente m ás poderosos que cualquiera de los que hoy conocem os, y posiblem ente esperando sólo un detonador adecuado que haga que la tierra regrese al caos». Once años antes, en su libro La liberación mundial, el novelista H . G. Wells escribió sobre poderosas bom bas atóm icas. A R utherford le m olestaba toda esta palabrería sobre ظ energía atóm ica utilizada con fines pacíficos o militares. En 1933, en u n discurso ante la Asociación Británica, dijo que «cualquiera que diga que con los recursos a nuestra disposición en estos m om entos y con nuestro conocim iento actual podem os utilizar energía atóm ica está diciendo tonterías». Tres años después, Bohr se refirió al «m uy discutido problem a de liberar la energía nuclear con fines prácticos», concluyendo que «cuanto más avanza nuestro conocim iento de las reacciones nucleares, m ás parece alejarse este objetivo» (Rhode 1986, p. 227). El descubrim iento de la fisión no hizo que Bohr cam biara su cauta actitud. En un discurso a una audiencia danesa el 6 de diciem bre de 1939, analizó los últim os avances en física nuclear, incluyendo la gran energía liberada en la fisión del uranio . «Se pueden en tender las terroríficas perspectivas a las que nos enfrentaríam os si se pud ieran hacer explotar cantidades sustanciales de uran io y torio», dijo, ?ero no había m otivo para preocuparse: «una consideración m ás cuidadosa m uestra que no existe causa para la alarm a a este respecto, aunque tam poco pueda decirse con total certeza que se pueda descartar cualquier liberación a gran escala de energía atóm ica». Tenía presente la dificultad d ؛ separar los dos isótopos de uranio. Sin em bargo, otros físicos fueron rápi- dos en especular sobre una posible bom ba de uranio. En febrero de 1939, O ppenhei-

Del enigma del uranio a Hiroshima 255

m er escribió a Uhlenbeck: «Creo ااأا € realm ente no es dem asiado im probable que un cubo de diez cm de deuteruro de uran io (debería tenerse algo para frenar a los neutrones sin capturarlos) podría perfectam ente explotar e irse al infierno» (S m ithyW einer ¡980, p. 209).

A finales de 1939, se habían publicado m ás de 100 artículos sobre fisión y una gran cantidad de conocim iento había sido acum ulado p o r parte de físicos en Europa y Amé- rica. Las recensiones publicadas en Alemania, Inglaterra y Estados U nidos resum ían este conocim iento. Una de las prim eras recensiones, de N orm an Feather, de la Univer- sidad de C am bridge, com pletada en mayo de 1939, concluía que «la posibilidad de un proceso acum ulativo de desintegración exotérm ica debe ser considerada» (G raetzer y A nderson 1971, p. 79), y una recensión alem ana de Siegfried Flügge, titu lada «¿Fuede contenido energético de los núcleos atóm اء icos hacerse técnicam ente útil?» respondía a la pregunta afirm ativam ente, concluyendo que u n a «m áquina atómica» era, en efec- to, posible. La energía atóm ica no era todavía una realidad, pero definitivam ente tam - poco se tra taba ya de tonterías. El en tendim iento teórico era todavía incom pleto, pero con la detallada teoría sem iem píríca de Bohr y W heeler de septiem bre de 1939, se establecieron unos cim ientos para la com prensión posterior. El artículo de B ohryW hee- آء. apareció en Physical Review el I de septiem bre de 1939, el m ism o día que com enzó ظ Segunda G uerra M undial.

A unque la posibilidad de una bom ba de uran io no se discutió explícitam ente durante las prim eras y caóticas sem anas de 1939, los físicos se dieron cuenta que la in- ·. estigación en fisión podría llevar algún día a una prim era bom ba, y posiblem ente ale- m ana. M uchos de los físicos nucleares en Estados U nidos que em prendieron el estudio de la fisión eran inm igrantes recientes de Europa central, y estaban preocupados p o r la situación desde el com ienzo. Entre ellos estaba Leo Szilard, el visionario refugiado húngaro que había trabajado en Inglaterra y ahora vivía en Estados U nidos, donde proseguía de m anera entusiasta el trabajo sobre fisión. Ya en 1934, Szilard había concebido la idea de una reacción neutróníca en cadena que podría posiblem ente llevar a una explosión violenta, pero había pensado en usar berilio, no uranio. C on el objeto de im pedir que los alem anes p rodujeran una bom ba de uranio , Szilard sugirió a sus CO-

legas físicos en febrero de 1939 que m antuvieran secreta toda investigación sobre el uranio. La inusual sugerencia de Szilard se recibió con escepticismo, aunque varios fí- ؛ icos em igrantes estadounidenses apoyaron la idea. Pero tam bién había físicos que se opusieron, po r razones de prioridad , porque la encon traron poco realista o porque se oponían a la m ism a idea de secretismo, tan extraña a los ideales de la ciencia; y m u- chos pensaban que la posibilidad de una bom ba era tan rem ota 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 principales estuvo dispuesta a apoyar el plan de secretismo. Fero no todos los físicos: }oliot y su grupo en Farís no deseaban dejar de publicar y, por esta razón entre otras, la idea de Szilard no se pu d o llevar a cabo inm ediatam ente. Las revistas de física con tinuaron publicando artículos sobre fisión a lo largo de 1939, disponibles para cualquiera que pudiera entenderlos.


Sin em bargo, con la declaración de guerra la situación cam bió y, a p a rtir de 1940, los físicos en ¿ r a n Bretaña y Bstados U nidos estuvieron de acuerdo en parar todas las publicaciones de posible relevancia para el uso de la energía atóm ica. En Inglaterra, ya existía una detención de las publicaciones y, en abril de 1940, G regory Breit fue nom - brado director de u n com ité estadounidense de censura de la investigación sobre el uranio . No sólo es notable que los físicos estuvieran de acuerdo con u n a m edida tan drástica, sino que lo hicieran de m anera puram ente voluntaria, sin n inguna presión po r parte de sus gobiernos y que, de hecho, consiguieran que la investigación occidental sobre el u ran io siguiera siendo u n secreto, tan to para los científicos alem anes como, duran te un tiem po, para los soviéticos. U no de los ú ltim os artículos sobre uran io que apareció en Physical Review fue el anuncio de Edwin M cM illan y Abelson del descu- b rim iento del «elemento radiactivo 93» (el nep tun io ), que apareció en jun io de 1940. El siguiente elem ento transuránico, m ucho más im portan te , el p lu tonio, fue producido p o r p rim era vez p o r el quím ico de Berkeley G lenn Seaborg y sus colaboradores en 1941, pero en un m om ento en que la parada de publicaciones estaba en vigor. El descubrim iento de Seaborg, galardonado con un Nobel, se hizo público p o r prim era vez en 1946, cuando apareció con la no ta al pie «Esta carta fue recibida para publicación en la fecha indicada [28 de e n e ro ,1941 pero su publicación fue voluntariam ل ente rete- n ida hasta el fin de la guerra». Se añadieron m uchas de estas notas al pie en artículos de los núm eros de 1946 de Physical Review.

El p rim er in ten to serio de explorar la posibilidad de una bom ba atóm ica tuvo lugar en Inglaterra, no en Estados U nidos. En m arzo de 1940, Frisch y Peierls realizaron un rápido estudio sobre cóm o se podría constru ir en principio una «superbom ba» de u ran io y cóm o funcionaría. Estim aron que una m asa de un kilogram o de uranio-235 m etálico sería suficiente para una bom ba y que «la energía liberada p o r una bom ba de 5 kg sería equivalente a la de una de varios miles de toneladas de dinam ita» y la radia- ción producida a «cien toneladas de radio». A parte de delinear el m ecanism o de la bom ba, tam bién m encionaban algunos de los aspectos políticos, éticos y m ilitares de la «prácticam ente irresistible» superbom ba que, según tem ían, los alem anes ya estaban en proceso de desarrollar. Entre estos aspectos estaba que «debido al desplazam iento de sustancias radiactivas con el viento, la bom ba no podría probablem ente usarse sin m atar a un gran núm ero de civiles, y esto podría hacerla inapropiada com o un arm a para uso de esta nación» (Serber 1992, pp. 81 y 86). C om o resultado del m em orando de Frisch y ?eierls, se form ó un com ité británico, llam ado MAUD, para trabajar en la superbom ba. Los físicos asociados al com ité consideraron varios problem as, en particular los m étodos de separación de isótopos, la posible producción de p lu tonio y la pérd ida y m ultiplicación de neutrones en diferentes volúm enes de uranio . M uchos de los principales físicos británicos estuvieron involucrados, incluyendo refirgiados com o Frisch, ?eierls, Kemmer, Sim ón, Kuhn, Kurti y Klaus Fuchs. Se les un ieron H alban y Kowarski, huidos de ?arís tras la caída de Francia. El com ité M AUD escribió su infor- m e final en el verano de 1941, concluyendo que una bom ba atóm ica era factible pero tam bién que para este trabajo era necesaria una organización m ucho más grande. El


proyecto sería enorm e y probablem ente prohibitivam ente caro para G ran Bretaña en 'o litario . Por aquel entonces, existía poca cooperación entre físícos británicos y esta- ¿ o u n id e n s e s que trabajasen en energía nuclear. La inform ación sobre el trabajo brítá- r.ico en 1941 fue transferida a M oscú por Fuchs, el físico com unista refugiado alem án. Mas adelante, duran te la guerra, Fuchs se convirtió en una figura central en la red so- · ¡etica de agentes que inform aban a M oscú del progreso que se llevaba a cabo en el proyecto de la bom ba estadounidense.

Hacia la bomba

El progreso del program a de la bom ba estadounidense, generalm ente conocido com o ?ro>'ecto M anhattan, es bien conocido y se ha descrito en detalle en m uchas ocasiones. Simplemente harem os m ención de los pasos esenciales del program a que, según ظ tra- ¿ id ó n , comenzó con ط carta que Einstein escribió al presidente Roosevelt en el verano La famosa carta fue en realidad esbozada po .ءق 1939 r Szilard tras consultas con W igner . Teller. Einstein le dijo al presidente de Estados Unidos que tenía razones para creer que ·c. elemento uranio podría convertirse en una nueva e im portante fúente de energía en ¿1 futuro inm ediato [...] Ahora parece casi seguro que esta [reacción en cadena] podría conseguirse en el ftrturo inm ediato». Además, <<[e[ste nuevo fenóm eno conduciría ade- mas a ظ construcción de bom bas, y es concebible (aunque no seguro) que se construyan bom أثق bas extrem adam ente potentes de una nueva dase. U na única bom ba de esta cía- م transportada en barco y detonada en un puerto, podría perfectam ente destruir la to- :^ rdad del puerto, jun to con el territorio circundante. Sin embargo, estas bom bas po- ست resultar dem asiado pesadas para su transporte aéreo» (Graetzer y Anderson 1971, p Los alemanes estaban posiblem .ر93. ente trabajando ya en esta línea (Einstein m encio- له explícitamente a Von Weizsácker) y, por este motivo, Einstein aconsejaba a Roose- ·elt que pasara a la acción. La carta no tuvo efecto inm ediato, salvo que el presidente nom bró un com ité asesor sobre el uranio. Alrededor de un año más tarde, los Estados E'nidos em pezaron a prepararse seriam ente para la guerra, lo cual incluía la fundación ءت un Com ité para ظ Investigación de la Defensa Nacional (NI)RC) presidido por el in- ¿eniero y fisíco V rnnevar Bush. El Com ité del U ranio se redefinió com o un subcom ité س NDRC. En 1941, el NDR(] quedó absorbido en una organización mayor y más eficaz, -Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD), de nuevo con Bush a la ca صr'eza. Por aquel entonces, físícos, quím icos e ingenieros estadounidenses habían com en- :،ido a trabajar en reacciones en cadena del uranio, pero estaban todavía en una fase ex- ploratoria. El trabajo era experim ental además de teórico e incluía, entre otras cosas, una teoría general de reacciones en cadena controladas desarrollada por Fermi, Wigner, '.Nêeler y otros. Un inform e elaborado por Lawrence enfatizaba la posibilidad de utíli- :a r plutonio com o m aterial para la bom ba. «Si se dispone de grandes cantidades del ele- .Tiento 94», escribía Lawrence, «es probable que se pueda producir una reacción en ca- ien a con neutrones rápidos. En una reacción así la energía se liberaría a un ritm o explosivo que podría describirse com o una “superbom ba”» (Smyth 1945, p. 65).


Tras el ataque japonés a ?earl H arbor, el program a nuclear se expandió am plia- m ente y grandes cantidades de dinero del gobierno se destinaron a la investigación relacionada con la fa tu ra bom ba nuclear. En la U niversidad de Chicago se creó u n La- bora to rio de M etalurgia, o M et Lab, presidido p o r A rthu r C om pton y con Fermi com o director del grupo de física nuclear experim ental. El objetivo era ahora claro: constru ir una bom ba atóm ica basada en uranio-235, o bien en plutonio. C om pton decidió que un p rim er paso tenía que ser una reacción en cadena lenta, seguida de u n reactor de uran io para p roducir plu tonio , y después una bom ba basada en el p lu tonio producido po r el reactor. Según esto plan, el reactor estaría listo en enero de 1943 y la bom ba dos años después. El trabajo progresaba satisfactoriam ente, y estudios teóricos y exper؛- m entales indicaban que en el tiem po previsto se tendría lista una bom ba con una ener- gía correspondiente al m enos a dos kilotones de d inam ita. Fero requeriría una enorm e inversión y una organización de una escala y com plejidad que sólo el ejército podía proporcionar. A principios de 1943, todos los esftrerzos se unificaron bajo una nueva organización militar, que recibió el nom bre en clave de D istrito de Ingenieros de M anhattan y con el general de brigada Leslie Groves com o presidente.

El p rim er paso del p rogram a am pliado era fabricar u n reactor prim itivo con el objeto de determ inar si era posible una reacción en cadena en el uranio. Ésta fue la labor de Ferm i y sus colaboradores en la Universidad de Chicago, que em plearon ladrillos de grafito puro com o m oderadores de los neutrones producidos por uran io , de proce- dencia natu ral pero de alta calidad. La «pila» de Chicago conocida com o C ?-I consu- m ió 385 toneladas de grafito, 6 de uran io m etálico puro y 34 toneladas de óxido de uranio . El nivel crítico, donde el factor m ultiplicativo pasa a ser m ayor que uno, se obtuvo rápidam ente y sin mayores problem as el 2 de diciem bre de 1942. Fermi estaba entusiasm ado, no sólo po r el éxito del trabajo, sino porque la pila fuera tan fácil de contro lar con las barras de cadm io para absorber neutrones. «O perar una pila es tan sencillo com o m antener u n autom óvil rodando sobre una carretera recta, ajustando el volante cuando el auto tiende a irse hacia la derecha o la izquierda», escribió. El hecho de que este p rim er caso de energía nuclear controlable produ jera una m inúscula cantidad de energía era irrelevante, ya que su propósito no era producir calor o electricidad. c ? - l se construyó com o p ro to tipo de u n generador de plutonio . Su éxito hizo que el OSRD tuviera confianza en que se podría p roducir una bom ba atóm ica a tiem po para que se pudiera utilizar en la guerra, e im plicaba la necesidad de o tra am pliación del proyecto. A finales de diciem bre de 1942, Roosevelt aprobó el plan de Bush para utilizar 250 m illones de dólares en fábricas p roductoras de uranio-235 y plutonio. No estaba claro cuánto p lu tonio se podría p roducir y cóm o de rápido, y p o r este m otivo se decidió proseguir con los dos tipos de m ateriales de fisión. El p roblem a más form i- dable con la bom ba de uran io consistía en la separación de uranio-235 a partir de uranio natural. Se consideraron varios m étodos, y se llegó a la conclusión de que el más práctico era el m étodo de difúsión gaseosa, en el cual se hace fluir hexafluoruro de uranio en estado gaseoso a través de u n sistema de barreras porosas. O tra posibilidad, propuesta po r Lawrence, era la separación electrom agnética m ediante enorm es electroim anes ٠

□el enigma del ؛ ٧٢^٢١ © a Niroshima 259

·calutrones», siendo este m étodo aprobado tam bién. En 1944, se suplieron las plantas que utilizaban estos dos m étodos con una planta de ،!؛fusión térmica. Los tres m étodos integraron en el enorm محق e sistema industrial construido en O ak Rldge, "l’cnncssee, que comenzó ظ producción de ur،،nio-235 en abril de 1945. O ak Ridge Incluía u n reactor de uranio piloto, pero los tres grandes reactores refrigerados por agua que producirían m a- terial para la bom ba de uranio se construyeron en H anford, W ashington.

El diseño de la bom ba atóm ica era tarea del num eroso grupo de físicos que se em - pezó a fo rm ar en Los Álamos, Nuevo México, en la prim avera de 1943. (]©n 1. Robert O ppenheim er com o director del laboratorio , se establecieron siete divisiones, entre ellas una división teórica dirigida p o r Bethe, una experim ental p o r Robert W llson, una de física de bom bas p o r Robert Bacher y u n a de explosivos p o r (?;eorge Kistiakowsky. O ppenheim er nunca se había ocupado de la investigación del u ran io previam ente y al- unos grupos m؛ ilitares le consideraban un riesgo para la seguridad, debido a sus fl؛r- teos ocasionales con el com unism o algunos años antes, ?ero Groves tenía confianza en قد habilidades de O ppenheim er com o líder, y su in tu ición se dem ostró correcta. O p- nhe^؛ im er, respetado tan to p o r los físicos com o po r los generales del ejército, era jus- :ám ente el hom bre adecuado para u n a tarea im posible. A los físicos que llegaban a Los .Alamos se les proporcionaban los fundam entos técnicos necesarios en un curso de cinco clases sobre «Cóm o constru ir una bom ba atóm ica» im partido p o r R obert Seber, un órico y colega de O؛»: ppenheim er. ?٠٢ si acaso alguien no lo sabía ya, Serber em pezaba el curso señalando, «el objeto del proyecto es p roducir un «٢٢«« m ilitar práctica en for- m a de bom ba en la cual la energía se libere p o r una rápida reacción neutrónica en cadena en uno o más de los m ateriales en los que se ha detectado fisión nuclear» (Serber 1992, p. 3). En una bom ba atóm ica los neutrones deberían ser rápidos, no lentos com o en un reactor, y no se sabía si de hecho podía o cu rrir una reacción en cadena con neu- t to n e s rápidos. Los prim eros experim entos en Los Álamos p robaron que sí, e indicaron el tam año critico de la bom ba.

O tro de los im portan tes problem as estudiados po r los físicos en el desierto de Nue- vo México era cóm o acum ular una masa crítica de m aterial fisionable a p artir de dos masas subcríticas. U no de los m étodos, una versión más sofisticada de la que se incluía en el m em orando de Frisch y ?eierls, era disparar una de las masas subcríticas hacia la otra. O tro m étodo fue propuesto p o r Seth Nc'ddermeyer: rodear una m asa esférica subcrítica con u n explosivo quím ico y luego «iinplotarla» para hacerla m ucbo más pe- queña y densa; aunque tuviera la m ism a masa, su densidad m ás elevada la haría su- percrítica. El m étodo de im plosión no se había m edido y era m ucho m ás com plejo que el del disparo, pero resultó que para la bom ba de plutonio sólo se podía utilizar la im- plosión. Los físicos descubrieron que el p lu ،on؛o-240, que aparece inevitablem ente con el p lutonio-239 ordinario , experim entaría una fisión espontánea y com o resultado produciría dem asiados neutrones para que el m étodo del disparo firncionara. (La fi- sión espontánea en el u ran io había sido descubierta p o r dos físicos soviéticos, Georgii Flerov y K onstantln ?etrzhak, y publicado en Physical Review en 1940.) En vez de apoyarse en un tipo particu lar de bom ba, una bom ba de p lu tonio por im plosión o una de

260 Generac¡ene$ cánticas

uran io por disparo, se decidió desarrollar los dos tipos a la vez. La etapa final del proyecto de la bom ba tuvo lugar en el verano de 1945, tras la rendición incondicional de A lem ania y el final de la guerra en Europa. Se había planeado utilizar la bom ba contra el Tercer Reich, pero la nueva situación no alteró nada la m archa del Proyecto M anhattan . Todavía quedaban los japoneses y la inercia del gigantesco proyecto parecía in- controlable.

¿Quiénes eran los físicos que trabajaban en el Proyecto M anhattan? Sería quizá más fácil dar ظ lista de los que no estaban, ya que el proyecto incluía a la m ayoría de los fí- sicos m ás brillantes del m undo occidental, desde figuras legendarias com o Bohr a jó- venes físicos prom etedores com o Richard Feynm an. Los dos extrem os eran igualm ente valiosos para el proyecto. Sobre Bohr, oficialm ente «doctor Baker», O ppenheim er inform ó a Groves a principios de 1944 que «el doctor Baker se ocupa principalm ente de ط correlación e interpretación de m uchos datos nuevos sobre fisión nuclear y temas relacionados [...] [pero] m uy poco de los problem as de ingeniería de nuestro program a aunque es por supuesto consciente de su im portancia y su dificultad». Sobre Feynman, © ppenheim er escribió más adelante en 1944 que «[es] no sólo un teórico extrem ada- m ente brillante, sino un hom bre de ظ mayor robustez, responsabilidad y calidez, un profesor brillante y lúcido, y un trabajador infatigable» (Sm lthyW elner 1980, pp. 270 y 276).

Una gran parte de los investigadores más activos del Proyecto M anhattan eran físi- eos que habían residido en Europa tan sólo unos pocos años antes. U n vistazo a la tabla 17.2 proporciona m uchas de las figuras centrales en el proyecto de la bom ba. Una de ellas era James Franck, el prem io Nobel alem án de 1925, que había abandonado el país en 1935 y ahora trabajaba en Chicago. Era uno de los pocos científicos que trabajaba en el proyecto de ط bom ba que alertó sobre sus consecuencias políticas y éticas en una prim era etapa. E l l l d e jun io de 1945, antes de la explosión de la prim era bom ba atóm ica, escribió ju n to con seis de sus colegas de Chicago un inform e al secretario de G uerra en el cual explicaban su postura. «٨ los científicos se nos ha acusado en nu- m erosas ocasiones de proporcionar nuevas arm as para la destrucción m u tua de las naciones, en vez de m ejorar su bienestar», escribió Franck. «Nos sentim os obligados a asum ir u n a postu ra m ás activa ahora porque el éxito que hem os conseguido en ظ evo- lución de la energía nuclear está plagado de peligros infinitam ente mayores que los de todas las invenciones del pasado». H aciéndose eco de m uchos de los argum entos de Bohr, Franck m iraba hacia el fu tu ro y alertaba sobre una carrera arm am entística nuclear, ya que «las bom bas nucleares no pueden posiblem ente seguir siendo u n “arm a secreta” al servicio exclusivo de este país duran te m ás de unos pocos años». M ás espe- cíficam ente, el inform e de Franck aconsejaba que la bom ba de Estados U nidos se «re- velara al m undo p o r prim era vez m ediante una dem ostración en u n área deshabitada seleccionada apropiadam ente» (G raetzer y A nderson ول7ءا p. 104). Pero esto no fue lo que sucedió. Franck y su pequeño grupo no despertaban sim patías entre los líderes m i- litares y su preocupada actitud estaba lejos de ser com partida p o r la m ayoría de los fí- sicos que trabajaban en el Proyecto M anhattan . La m ayoría no tenían objeciones m o- rales en trabajar en u n arm a de destrucción masiva. Algunos rechazaron el trabajo,

Del enigma del uranio a Niroshima 261

re ro la actitud general era que estaba justificado en vista de la $itu؛،ción de guerra y la ^ s ib i l id a d de que H itler pudiera conseguir la bom ba antes. Además, m uchos de los ñ- ICOS estaban sim؛ plem ente «intrigados con un problem a científico y de ingeniería fas- «únante y difícil», com o recordaba David A nderson unos cuarenta años después (Ba- dash, H odes y T iddens 1986, p. 222).

La muerte de dos oiudades

ما» im presión m ás sorprendente fue la de una luz increíblem ente brillante [...] Q uedé anonadado p o r el nuevo espectáculo. V im os el cielo entero brillar con u n ln- creíble destello a pesar de las gafas m uy oscuras que llevábam os [...] Por u n m om ento creí que la explosión podría incinerar la atm ósfera y acabar así con la tierra, aunque era consciente de que esto no era posible» (Rhodes 1986, p. 673). Ésta era la im presión de Emilio Segré al ser testigo de la p rim era explosión nuclear de la historia, la p rueba denom inada «Trinity» en el desierto de A lam ogordo el 16 de julio de 1945, a lás 5:30 a.m. La bom ba, colocada al final de una torre de acero de 30 m etros, era del tipo de im - plosión de plutonio . La p rueba fue un com pleto éxito, con una energía correspondiente a unos 18 kilotones de d inam ita, que era m ás de lo que esperaban ظ m ayoría de los físicos. Esto, y no las preocupaciones de Franck, era lo que im portaba a los físicos que observaron el espectacular fenóm eno. «N aturalm ente, estábam os rebosantes de alegría con el resultado del experim ento», recordaba Víctor Weisskopf. «Nos dirigim os el uno al o tro e intercam biam os enhorabuenas, duran te los prim eros m inutos. Des- pués, sentim os u n escalofrío, que no era debido al frío m atu tino [...]» (ibid., p. 675). La ta m b a de plutonio ftincionó perfectam ente y había m aterial suficiente para la bom ba de uranio, que se com prendía en m ás p ro fundidad y no precisaba por tan to una prueba. Fíabía llegado el m om ento de la acción verdadera, y ello, de hecho, im plicaba la des- trucción de ciudades japonesas. Fíasta entonces, el desarrollo de la bom ba se había de- iado en m anos de los físicos, cuyas voces eran tam bién im portan tes en las discusiones políticas y m ilitares. Pero fueron los líderes políticos y m ilitares, p o r supuesto, los que decidieron para qué se utilizarían las bom bas. H abía m uchas discusiones entre los fí- sicos en Los Álamos, Berkeley, Chicago y o tros sitios, pero no form aron un frente unido y, en general, no se inclinaban a m ostrarse en desacuerdo con los líderes militares. £1 grupo asesor científico, que consistía en C om pton , Fermi, Lawrence y © ppenhei- mer, no veía alternativa aceptable a hacer que las bom bas explotaran sobre áreas de alta densidad de población en Japón. En todo caso, Trum an, el nuevo presidente, decidió que las bom bas deberían tirarse sobre Japón lo antes posible y según el juicio de los generales. Esta decisión ha dado lugar a interm inables discusiones, pero lo im portan te es que file tom ada. En esta etapa, a princip ios de julio, los físicos no tenían m ucho que decir sobre las criaturas que habían construido.

La prim era cria tura era «Little Boy», u n a bom ba de uran io de 4.500 kg, que m edía 71 cm de d iám etro por 3 m etros de largo. T ransportada p o r el bom bardero B-29 £ ٢١٠- la Gay, se hizo explotar sobre la ciudad de H iroshim a el 6 de agosto de 1945 a las 8:16


TABLA 18.1D atos sobre las dos bom bas nucleares y sus consecuencias

H iroshima Nagasaki

Tipo de bom ba uran io -d isparo plu ton io -im plosión

Peso de la bom ba (toneladas) 4 4,5

Energía de explosión (kilotoneladas de dinam ita) 12,5 22

Población 285.000 7-70-000

Total de edificios destru idos 54.000 14.000

M uertos en la fase inicial 105-000 65.000

H eridos 75.000 40 .٥٥٠

Á rea to ta lm en te destru ida (km 2) 13 6,7

M uertos p o r k m 2 8.100 9.700

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

a.m ., hora local, a unos 600 m etros sobre el suelo. Llevó a cabo la tarea para la ٩٧ ،; se había constru ido, excepto que no forzó a los japoneses a aceptar la orden de rendición incondicional. Tres días después, «Fat Man» tom ó el testigo. Liberada sobre Nagasak؛ desde o tro B-29 (llam ado Bock’s Car), la bom ba de p lu ton io explotó a las 11:02 a.m ., a la m ism a altu ra sobre el suelo, aproxim adam ente. También cum plió con su com etido (véase tabla 18.1), y cinco días después el gobierno japonés y su em perador capitularon. Era el final de la Segunda G uerra M undial.

El proyecto de la bom ba, de dos mil m illones de dólares, fue el m ayor proyecto de investigación de la historia, involucrando más científicos y dinero que cualquier otro proyecto an terio r o posterior. Fara casi todo el m undo, dem ostró drásticam ente que la ciencia, y ط física en particular, era capaz de ganar guerras y cam biar el curso de la historia. En realidad, el Proyecto M anhattan se com pletó dem asiado tarde para que fuera de im portancia decisiva en lo tocante a la guerra. La verdadera im plicación de la bom - ba atóm ica era más política que m ilitar, y esto se hizo evidente sólo después del final de la guerra. Desde u n pu n to de vista m ilitar, la investigación sobre el radar, la o tra área principal de la física m ilitar aliada (que recibió m ucha m enos publicidad) fue m ucho m ás im portan te.

Sólo el titánico proyecto estadounidense consiguió desarrollar una bom ba atóm i- ca, pero se em prendió la investigación con fines m ilitares en otros países tam bién. En Japón, la M arina creó un program a de uran io con el propósito de desarrollar u n reac- to r nuclear para propulsar naves de guerra, pero el proyecto se retiró porque parecía dem asiado costoso e incierto . En la U niversidad de Tokio, u n g rupo d irig ido po r N ishina exploró la posibilidad de separar uranio-235 para constru ir una bom ba, pero el progreso fue lento. En la U nión Soviética, se croó una C om isión sobro el Problem a del U ranio en agosto de 1940 en la Academia de las Ciencias. La tarea del com ité era estudiar la posibilidad de utilizar la energía de una reacción en cadena en el uranio. Los


principales físicos soviéticos que trabajaban en la com isión, Inhl K hariton, Igor ^ e l’- dovich, Flerov e Igor Kurchatov, duplicaron independientem ente el trabajo de Frisch y Peierls en Inglaterra. A principios de 1941, calcularon la m asa crítica de uranio-235 y hallaron que estaba en to rno a los 10 kilogram os. Incluso incluyeron en sus cálculos un reflector de neutrones pesados. Algo después, K urchatov se percató de la im portancia del p lu tonio y enfatizó que ظ m ejor m anera de constru ir una bom ba podría ser Util؛- zando el nuevo elem ento. El equivalente ruso de Eos Álamos, aunque m ucho m enor, era el «Laboratorio N .٠ 2», establecido p o r K urchatov en la prim avera de 1943. U n año después, incluía setenta y cuatro personas, de las cuales veinticinco eran c؛c n t؛ficos (en Los Álamos trabajaban unas 2.000 personas). El proyecto de bom ba soviético se vio seriam ente obstaculizado p o r ط carencia de m ateriales, especialm ente uran io puro y grafito. Por o tra parte, los rusos ten ían la ventaja de estar inform ados sobre el proyccto secreto estadounidense gracias a Fuchs, el físico refugiado alem án que trabajaba en Los Álamos. Sin em bargo, en agosto de 1945 los rusos estaban m uy lejos de tener una bom - ba atóm ica. O btuvieron sus prim eros m icrogram os de p lu ton io en agosto de 1944, a partir del ciclotrón de Leningrado, y el p rim er reactor soviético (llam ado F- l ) llegó al estado crítico en los ú ltim os días de 1946.

La iniciativa alemana, tan tem ida por los físicos de Gran Bretaña y Estados Unidos, comenzó pronto. Ya en la prim avera de 1939 -ju sto después ،leí anuncio de Farí؛> sobre neutrones secundarios- los físicos alemanes señalaron las potenciales aplicaciones militares de la física del uranio y ظ Uranverein (Sociedad del Uranio) com enzó una serie de reuniones. El grupo incluía a Flügge, Paul Harteck, Fritz Bopp, Heisenberg, Von Weizsacker vW alther Gehrlach, entre otros. Se form aron varios equipos de investigación nuclear, en la Universidad de Leipzig, la Universidad de Flamburgo, el Instituto de Física Kaiser1 ¥ ا؛ - helm en Berlín, y en otros sitios. El propósito general de la Uranverein era estudiar la posibilidad de utilizar energía nuclear, ^ in c ip a lm en te en form a de u n reactor que pudiera utilizarse para propulsar subm arinos o incluso aeroplanos. Las bom bas atómicas estaban en la agenda inicialmente, pero no se les dio una alta prioridad. Sin embargo, los físicos eran m uy conscientes de la posibilidad de una bom ba. En una com unicación en febrero de 1942, Heisenberg m encionó que el aislamiento del uranio-235 podría «llevar a un explosivo de inim aginable potencia» y que una m áquina de uranio «puede tam bién llevar a la producción de un explosivo increíblem ente potente» (Hentschel 1996, p. 300). Du- rante los prim eros dos años de la guerra ط, investigación del uranio en Alemania estaba al m ism o nivel que en Inglaterra o Estados Unidos, pero tras 1942 el progreso declinó y los militares perdieron algo de interés en el proyecto. Desconocedor del progreso que te- nía lugar en Estados Unidos, Heisenberg y sus colegas investigadores del uranio se concentraron en producir un reactor. C uando la guerra term inó y Heisenberg fue hecho preso, la prim itiva m áquina todavía no había operado al nivel crítico. Heisenberg, Hahn y los otros físicos alemanes internos en Farm Hall en Inglaterra quedaron m uy sorprendí- dos cuando supieron del lanzam iento de «Little Boy» sobre H iroshim a.

U no puede llevarse fácilm ente la im presión de que toda la com unidad física estaba ocupada p o r la ciencia m ilitar duran te los años de guerra y que no ten ían tiem po ni


TABLA 18.2N úm ero de artículos sobre física, en todas las revistas, y páginas en los volúm enes

de Physical Review y Philosophical M agazine

A ño 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1947 1948 1949

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

Phys. Rev. 2.965 2.914 1.677 1.041 1.008 428 417 945 1.517 2.240 2.307 7-7.75

Phil. Mag. 2.237 1.478 1.130 1.026 910 851 855 875 884 913 1008 1278

apetito para la ciencia pura. Sin em bargo, esto estaría lejos de ser cierto. Aunque la cantidad de física académica ordinaria se redujo m ucho entre 1940 y 1945, todavía existían físicos trabajando en áreas de la física pu ra y produciendo u n a cantidad sustanciosa de artículos en esta categoría. Dirac rehusó form ar parte del Proyecto M anhattan y con- tinuó trabajando en problem as de electrodinám ica cuántica (aunque tam bién trabajó en asuntos relacionados con el proyecto de bom ba británico). Born se m antuvo alejado de la física m ilitar. «C ontinúo con m i trabajo tranquilo», escribió a £ n en la؛nste؛

3.000

c/5٢٠ص

ه 2.000o<u

1.000

سللللسللللساه1935 1940 1945 1950

A ño

Gráfico 18.1. El número de páginas publicadas en cada año natura؛ en Proceedings ءألم،/م Royal Society ofLondon , sección A. Se han complementado los cambios en el área impresa de cada página al norma- ،izarlas al formato usado en 1955. Fuente: E. Bullard, «El efecto de la Segunda Guerra Mundial en el desarrollo del conocimiento en las ciencias físicas». Proceedings o f the Royal Society A 342 (1975), pp. 519- 536. Reelaborado con permiso de The Royal Society

□el enigma del uranio a Hiroshima 265

prim avera de ول4(ر . «Pronto mi departam ento [en Edim burgo] será el único sitio de G ran Bretaña donde todavía se lleve a cabo trabajo teórico» (Kragh 1990, p. 159). En إة nuevo Institu to de Estudios Avanzados de D ublín en la neutral Irlanda, Schródinger im partió lecciones y organizó coloquios sobre asuntos teóricos, con participantes que O cluían a Heltler, D irac, E ddington y Born. Hasta Heisenberg, que trabajaba duro en ظ m áquina de uranio , encontró tiem po para concentrarse en la teoría pura. El ú ltim o artículo que apareció en Zeitschriftfür Physik antes del final de la guerra fue la tercera parte de «fas m agnitudes observables en la teoría de las partículas elementales», de Heisenberg, un artículo tan alejado de las aplicaciones m ilitares com o se pueda imagi- nar. Se envió el 12 de mayo de 1944. Teóricos japoneses, incluyendo a Tom onaga y Sa- ؛ a ta , trabajaron sim ilarm ente en problem as fundam entales duran te la guerra. El im - ^ r t a n t e trabajo de Tom onaga «Sobre una reform ulación relativista de la teoría c á n t ic a de cam pos» apareció (en japonés) en 1943.

Esto no significa negar que la guerra tuviera un m uy serio im pacto en la física aca- demica, tan to cuantitativa com o cualitativam ente. La física m undial sobrevivió en 1944, pero a u n bajo nivel. La dism inución de publicaciones fí،slcas y la lenta recupe- ración tras la paz quedan ilustrados p o r el núm ero de artículos cuyos resúm enes aparecieron en Physics Abstraéis y el núm ero de páginas en dos revistas de física principales (tabla 18.2). El declive se m uestra en los gráficos 18.1 y 18.2, que se refieren a ط situación en G ran Bretaña.

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19501945 1940

A ño

1935

Gráfico 18.2. Número total de estudiantes de investigación, la mayoría en ciencias físicas, financiados por el DSIR (Department of Scientific and Industrial Research) cada año. Fuente: E. Bullard, Proceedings o f the Royal Society A 342 (1975), pp. 519-536. Reelaborado con permiso de The Royal Society.

Tercera parte:progreso y problemas

CAPÍTULO 19

Temas peleares

Física del ! atómico ءها1مم

La física nuclear había avanzado notablem ente a finales de los añ©$ trein ta y su valia ؟ uedó probada al p roporcionar el cim iento a la increíble energía nuclear basada en el uranio. Tras la guerra, cuando la física fue volviendo a las universidades y gran parte ;e l trabajo em prendido entre 194Í y ا94ق fue desclasificado, el joven cam po de la físi- ca nuclear experim entó u n trem endo crecim iento. G enerosam ente financiado con di- -e ro federal, se convirtió en quizá el más prestigioso cam po de la física y el que atrajo m ق uchos de los estudiantes m ás brillantes.

Los firndam entos de la teoría nuclear se habían establecido antes de la guerra, gra- ;]as al trabajo de físicos com o Bethe, Bohr, Wheeler, W igner y Von Weízsácker. ?ero el im presionante progreso era sobre todo fenom enológico, y se conocía m uy poco de las fuerzas que m antenían a protones y neutrones tan firertemente unidos en el núcleo. Se creía generalm ente que la teoría deYukawa, sobre m esones intercam biándose entre los nucleones, era el m ejor esfuerzo de explicar a tisfac to riam en te las fuerzas nucleares. D urante la guerra, y poco después, ?aulí, Rosenfeld, M oller y algunos otros teóricos se esforzaron en desarrollar una teoría m esónica de las fuerzas nucleares, pero sus com plicados cálculos fracasaron a la ho ra de explicar satisfactoriam ente ط fuerza fuerte. Dos principales causas del fracaso fueron que se sabía m uy poco sobre el m esón de Yukawa (pión) y su interacción con los nucleones, y tam bién que las teorías suponían la existencia de sólo un tipo de m esón. ?٠٢ supuesto, tam poco ayudó el hecho de que se creyera que el cuanto de Yukawa fuera el m esón ligero que se conocía en la radia- ción cósmica. Incluso con el nuevo m esón de 1947, que se desintegraba rápidam ente, el problem a de explicar las fuerzas nucleares resultó ser extrem adam ente difícil. Se re- solvió parcialm ente tan sólo a princip ios de los sesenta, con el descubrim iento de nuevos tipos de m esones con vidas cortas. En su Teoría nuclear elemental de 1947, Bethe escribió que la teoría m esónica «hasta ahora no ha p roporcionado ningún resultado en


acuerdo cuantitativo con los datos em píricos sobre fuerzas nucleares», y que «en este m om ento no existen resultados fiables sobre la teoría m esónica de las fuerzas nucleares». Ocho años después, en un volum en celebrando el septuagésim o cum pleaños de

Bohr, Landau concJuia que «no se pueden constru ir teorías m esónicas sin profundos cam bios en )os principios básicos de la física m oderna». Sin em bargo, el fracaso no era to tal y, en cualquier caso, no im pidió que los físicos exploraran la estructu ra del nú- cleo, independientem ente de lo que lo m antuviera.

El m odelo favorito de finales de los años trein ta, y sobre el que se basó la com pren- sión del proceso de fisión, era el m odelo de gota líquida, desarrollado en particu lar por Bohr y W heeler. Según este m odelo, los núcleos son gotítas casi incom prim ibles de densidad extrem adam ente elevada, con los nucleones ligados a otros fuerte y colect¡- vam ente, de m anera sim ilar a las m oléculas en una gota de agua. El m odelo consiguió un gran éxito, pero existían en todo caso num erosos hechos experim entales que no era capaz de explicar, ?o r ejem plo, el m odelo de gota líquida no podía explicar los estados excitados hallados en los espectros de la energía nuclear. En ]949 afrontó el desafío del m odelo de capas cuyas raíces, com o las del m odelo de gota líquida, se rem ontaban a los años trein ta. Ya en 1933, el físico alem án W alter £lsasser, tom ando una sugerencia p roporcionada el año an terio r por el estadounidense T. Barlett, había propuesto que los nucleones podrían ocupar niveles cuánticos en analogía con los electrones atóm i- COS. De este m odo, podría explicar varias regularidades en las abundancias de los ele- m entos quím icos y las energías de ligadura de sus núcleos. La idea de Elsasset' de «capas» nucleares era bien conocida, pero carecía de justificación teórica; adem ás, no podía reproducir las capas cerradas para los núm eros neutrónícos 82 y 126 que los datos em píricos sugerían. Por esta razón, se insinuaba que podría ser «nunierología» ١٢٠ dado que contradecía las ideas de Bohr sobre la estructura nuclear, era despreciada po r la m ayoría de los físicos, que preferían trabajar con el m odelo de gota líquida, que te- nía éxito em píricam ente.

La realidad de algún tipo de disposición en capas quedó clara sólo en 1948, cuando M aria G oeppert M ayer agrupó evidencias de d istintos cam pos que m ostraban la realidad de lo que p ron to em pezó a conocerse com o «núm eros mágicos». El nom bre parece haber sido acuñado po r W igner. La física alem ana, nacida en Polonia, Mayer (de apellido de soltera, G oeppert) había estudiado en G otinga bajo la dirección de Born, y en 1930 em igró a Estados U nidos. En 1946 M ayer se m udó a Chicago, donde trabajó con Fermi y Teller y obtuvo una plaza a tiem po parcial en el nuevo Laboratorio Na- cional de Argonne. Fue sólo entonces cuando se percató de las sorprendentes regularidades asociadas con ciertos núm eros nucleares y cuando leyó el artículo de Elsasser de 1933. Mayer sostuvo persuasivam ente que los núcleos con 2, 8, 20, 50, 82 y 126 pro tones o neutrones eran particu larm ente estables y que po r tan to estos núm eros mágicos representaban capas cerradas en el núcleo. Estos núcleos no sólo tenían energías de ligadura elevadas y m ayor núm ero de isótopos, sino que eran tam bién m arcadam ente m ás abundantes que los núcleos colindantes. Los datos sobre abundancia cósm ica de elem entos que el geoquím ico suizo-noruego Víctor G oldschm idt agrupó '

Temas nucleares 271

te duran te ،os años tre in ta se utilizaron para conseguir inform ación tan to sobre el m i- crocosm os com o sobre el m acrocosm os; estos datos proporcionaron evidencia sobre la estructura del núcleo atóm ico y fueron de crucial im portancia para el nuevo m odelo universal del «big bang», debido a Gamow. De hecho, Mayer llegó a su teoría nuclear de capas m ediante un in ten to fallido de en tender cóm o se form aron cosm ológica- m ente los elem entos. U na revisión de la explicación de Elsesser sobre los núm eros m á- gicos en térm inos de un m odelo de capas fue propuesta 1949, de m anera independiente p o r Mayer y po r los físicos alem anes H ans Jensen y sus colaboradores © tto Haxel y H ans Suess. Jensen había estado interesado en los núm eros mágicos nucleares duran te algunos años, y duran te la guerra había discutido el asunto con G oldschm idt en Oslo. En 1948 discutió sobre ello con Bohr quien, a pesar de su interés p ropio en el m odelo de la gota líquida, anim ó a Jensen a que desarrollara su idea. Sin em bargo, com o Jenses recordó en su discurso ،leí Nobel, cuando m andó su artículo com partido con Haxel y Suess a «una revista seria», fue rechazado po rque «no es física en realidad, sino jugar con Jos núm eros». Sólo cuando envió el artícuJo a Physical Review, a través de Weisskopf, fue aceptado.

In troduciendo u n foerte acoplam iento entre el m om ento orbital y el m om ento de espín de cada nucleón, Mayer y Jensen pud ieron explicar una am plia gam a de datos relacionados con Jos núm eros mágicos, l.os núcleos particularm ente estables eran aque- líos con órbitas cerradas y un m om ento angular total nulo. Los estados excitados se de- bían a «nucleones de valencia» que se m ovían en órbitas superiores. Al contrario deí m odelo de la gota liquida, el m odelo de capas suponía que cada nucleón se m ovía independientem ente de los dem ás en eJ cam po nuclear, en órbitas casi im perturbadas. Por este m otivo, el m odelo de capas sim ple se conocía tam bién com o un m odelo de partículas independientes. La potencia explicativa y predictlva de la teoría indicaba faertem ente que era al m enos parcialm ente correcto, y fue rápidam ente aceptado y desarrollado por otros físicos nucleares. El hecho de que el origen del necesario acopla- m iento firerte entre espín y órb ita fuera bastante m isterioso im portaba m enos. En 1963, la im portancia del m odelo de capas fue reconocida p o r el com ite del Nobel, que otorgó m edio prem io de Física conjuntam ente a Mayer y Jensen. (La o tra m itad se o tor- gó a Eugene W igner.) Esta fue sólo la segunda vez, y hasta ahora la últim a, en la que una m ujer ganó el prem io.

Sobre 1950 había p o r tan to dos teorías principales del núcleo: el m odelo de gota lí- quida y el m odelo de capas. Am bos tuvieron éxito, pero el éxito fue lim itado, ya que fracasaban a la hora de explicar ciertos datos experim entales. Incluso cuando se elimi- naban varias suposiciones que hacían eJ cálculo m ás ،؟imple, y Jos m odelos se desarro- liaban en versiones m ás sofisticadas, había aspectos que n inguna de Jas teorías podía explicar. Además, es obvio que los dos m odelos se contradecían m utuam ente: uno veía el núcleo com o un sistem a colectivo, el o tro consideraba Jos nucleones partículas independientes. Ésta era u n a situación clásica en la h istoria de la física y la respuesta estaba, com o en m uchas situaciones similares, en considerar los dos m odelos casos extrem os de u n m odelo m ás general. En este caso, sería u n m odelo que incluiría a la gota


líquida adem ás de a$pect©s de partículas independientes. James Rainwater de la Uní- versidad de C olum bia se dio cuenta en 1950 de que la evidencia de los m om entos cua- drupolares eléctricos nucleares estaba en desacuerdo con el m odelo de capas en el grupo de tierras raras; esto le llevó a sugerir que la form a del núcleo no era esférica, sino distorsionada en un esferoide. A proxim adam ente al m ism o tiem po, Aage Bohr (el hijo de Niels Bohr) y el físico estadounidense-danés Ben M ottelson em pezaron a desarrollar u n m odelo basado en núcleos en ro tación con form a esferoidal en el cual las oscilaciones superficiales (un aspecto de gota líquida) se com binaban con excitaciones de partículas aisladas (un aspecto del m odelo de capas). D urante 1950-1953, Bohr y Mottel- son desarrollaron su m odelo del núcleo, conocido com o el m odelo colectivo o rotacional. La principal característica de esta imagen del núcleo era el m ovim iento rotacional del núcleo, que se deform aba y se acoplaba con los estados de una sola partícula, ? o r aquel entonces, la física nuclear estaba fuertem ente dom inada p o r Estados Unidos, pero la m ayor parte del trabajo de Bohr y M ottelson tuvo lugar en el institu to de Niels Bohr en C openhague, donde un g rupo de físicos nucleares desarrolló el m odelo colectivo duran te los años cincuenta. U na de las m aneras en la que los físicos de C openhague consiguieron valiosa inform ación sobre la estructura del núcleo fue m ediante la excitación de C oulom b, es decir, excitación del núcleo atóm ico m ediante bom bardeo con partículas cargadas de baja energía que no podían alterar el núcleo, sino sólo actu a r sobre él d ^ tro m ag n é ticam en te . De esta m anera, y tam bién de o tras, el grupo de Copenhague investigó sistem áticam ente los estados energéticos rotacionales y utilizaron los datos para confirm ar y refinar el m odelo colectivo. Rainwater, B ohr y M ottelson com partieron el prem io Nobel de 1975 p o r «su trabajo en la estructu ra in terna del núcleo atóm ico». Ése fue hasta ahora el ú ltim o prem io otorgado a trabajos en física nuclear, reflejando el hecho de que la era clásica de este cam po de la física llegó a su cim a alrededor de 1960.

O tro prem io Nobel que tam bién se otorgó po r una contribución al entendim iento de la estructu ra del núcleo fue el del estadounidense Robert Hofstadter, quien investí- gó los detalles del núcleo m ediante experim entos de esparcim iento de electrones. En principio, este m étodo era análogo a los experim entos clásicos de esparcim iento alfa de Geiger y M arsden que llevaron en 1911 al m odelo atóm ico nuclear de R utherford. El bom bardeo del núcleo con electrones rápidos tenía la ventaja de que se podían igno- ra r los efectos de las fuerzas nucleares, que no se entendían bien. H ofstadter em pezó a utilizar el nuevo acelerador lineal de la U niversidad de Stanford en 1953, para estudiar ei esparcim iento de electrones de 116 MeV p o r metales; tres años después, consiguió utilizar electrones con energías de 550 MeV. Exam inó los electrones esparcidos me- diante u n espectróm etro enorm e, especialm ente diseñado, y a p artir de los datos dedujo cóm o variaba la densidad de carga del núcleo en función de ط distancia al centro . A nim ado p o r sus resultados, H ofstadter aplicó en 1954 el m étodo al hidrógeno para hallar la d istribución de carga en u n p ro tón y tam bién al deuterio , para exam inar la estructu ra del deu terón y el neu trón . Los experim entos de Stanford eran por tanto de interés no sólo para la física nuclear sino para la física de partículas elementales. Los

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resultados m ostraban lo que se suponía desde hacía tiem po: que el p ro tó n y el neu trón son distintos aspectos de la m ism a partícula; y, adem ás, que esta partícula, el nucleón, es u n objeto de tam año finito, aunque sin contornos precisos. Al contrario de los nú- cíeos pesados, que tienen un radio bien definido, se halló que la densidad de carga de los nucleones decrecía suavemente a partir del centro. Se encontró un radio prom edio, definido com o la raíz cuadrada del prom edio del radio al cuadrado, de unos 0,74 X 10~15 m. H ofstadter se im aginaba a los nucleones rodeados de nubes de m esones, con las nubes sum ándose en el caso del p ro tó n y cancelándose en el neu trón . Sus experim entos mos- tta ro n , com o dijo al final de su discurso del N obel en 1961, que «se ha encontrado ahora que el p ro tón y el neu trón , antes considerados partículas elem entales, son cuerpos altam ente complejos».

Alquimia moderna

La creencia de Ferm i en 1934 de que había producido nuevos elem entos quím icos más pesados que el uran io resultó no ser válida, pero siete años después, los elem entos con núm eros 93 y 94 se habían convertido en una realidad. £st© fue sólo el principio, aunque tuvo una im portancia crucial. Con el descubrim iento del nep tun io y el plutonio, se abrió un nuevo cam po de la física y la quím ica, la m anufactura y la ciencia de los elem entos transuránicos. £1 reconocido m aestro de este cam po fue G lenn Seaborg, que em ergería m ás adelante com o un im portan te abogado de la energía nuclear y se- ría nom brado en 1961 presidente de la C om isión de la Energía Atóm ica. Ya en 1944, se descubrieron los elem entos de núm eros 95 y 96 en el g rupo de Seaborg en el Labora- torio M etalúrgico de la Universidad de Chicago, y denom inados am ericio y curio, respectivam ente. M ientras que el am ericio se identificó com o u n producto de la desinte- gración del plu tonio-241, el curio se p rodujo bom bardeando plutonio-239 con partículas alfa en el ciclotrón de Berkeley. Después de la guerra llegaron los elem entos con núm eros atóm icos entre el 97 y el 101, llam ados berkelio, californio, einstenio, fer- m ió y m endelevio (véase tabla 19.1). De éstos, los dos prim eros y el ú ltim o se m anu- facturaron «norm alm ente», con partículas alfa aceleradas en un ciclotrón. £1 einstenio y el ferm io, p o r o tro lado, se identificaron por prim era vez en los residuos recogidos tras la explosión term onuclear de prueba en noviem bre de 1952 en el atolón £ n .wetok؛£os científicos que exam inaban los residuos en Argonne, Los Álamos y Berkeley concluyeron que los isótopos se habían producido com o resultado de cap tura neutróníca en el intenso flujo producido en la explosión. D urante su trabajo m anufactu rando e identificando nuevos elem entos, los científicos de Berkeley se hicieron expertos en téc- nicas m icroanalíticas y aprendieron a operar con lo que, p o r esa época, se consideraban cantidades de m ateria increíblem ente pequeñas. Por ejem plo, la identificación del californio se realizó con un total de 5.000 átom os. Incluso este núm ero era grande com parado con la producción del m endelevio, que tuvo lugar (probablem ente po r p ri- m era vez en la historia de la quím ica) con una cantidad no m edida del elem ento objetivo, einstenio-253.


TABLA 19.1D escubrim iento de los elem entos ' وا4ا-وا6ا

Z Nombre Símbolo Año Localidad Descubridores93 neptunio Np 1940 Berkeley E. McMillan, F. Abelson94 plutonio Pu G. Seaborg, E. Me Millan

1941 Berkeley 1. Kennedy, A. Wahl95 americio Am G. Seaborg, R. James,

1944 Chicago L. Morgan, A. Ghiorso,96 curio Cm G. Seaborg, A. Ghiorso,

1944 Chicago R. James97 berkelio Bk G. Seaborg, A. Ghiorso,

1949 Berkeley S. Thompson98 californio Cf G. Seaborg, A. Ghiorso,

19و0 Berkeley S. Thompson, K. Street99 einstenio Es G. Seaborg, A. Ghiorso,

19وو Berkeley etc. et al.100 fermio Fm G. Seaborg, A. Ghiorso,

19وو Berkeley etc. et al.101 mendelevio Md G. Seaborg, A. Ghiorso,

19وو Berkeley et al.102 nobelio No 19و7 Estocolmo H. Atterling et al.103 laurencio Lw 1961 Berkeley A. Ghiorso et al.

Nota: Los datos no deberían tomarse demasiado literalmente. Los descubrimientos de los elementos químicos, incluso si están manufacturados, son eventos complejos que no pueden reducirse fácilmente a datos o nombres correctos.

Hasta el elem ento 101 incluido, el juego de los descubrim ientos estaba com pletam ente dom inado p o r los físicos y quím icos estadounidenses -californ ianos, para ser p recisos- liderados p o r Seaborg. Los procesos de m anufactura estaban basados sobre todo en el bom bardeo con partículas alfa. Pero los californianos no jugaban solos. Por ejemplo, el físico sueco Hugo A tterling y sus colaboradores utilizaron el ciclotrón del Institu to N obel de Física para bom bardear uranio-238 con iones acelerados de oxígeno. En com petición con los estadounidenses, dieron a conocer la producción del elem ento 100 a principios de 1954. Tres años después, en julio de 1957, u n grupo de físicos estadounidenses, suecos y británicos utilizó el ciclotrón de Estocolm o para p roducir u n fuerte haz de iones de ca rb o n o -13 (13C4+) y lo hicieron reaccionar con una m uestra de curio-244. A nunciaron el descubrim iento del elem ento 102 y propusieron llamarlo, p o r obvios m otivos, nobelio. Los científicos de California, que no estaban acostum brados a la com petición en el juego de los descubrim ientos, no confirm aron

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_ ;k resultados de Estocolm o y dudaron de que el elem ento 102 se hubiera producido á m e n t e . E ncontraron el elem ento, pero m ediante u n m étodo distinto. C om o Sea- borg escribió en u n artículo de recensión en Endeavour en 1959, «en abril de 1958 un ^rupo consistente en Ghiorso, T. Sikkeland, j. R. W alton y el autor, identificaron en el laboratorio de radiación el isótopo 102254 [...] A unque el nom bre de nobelio para el elem ento 102 tendrá sin duda que cam biarse, los investigadores no han hecho, hasta el m om ento de esta redacción, sugerencias para el nuevo nom bre». La controversia tam - bién involucraba a u n g rupo de científicos soviéticos, incluyendo a G eorg؛؛ Flero^', que ponía en duda la afirm ación estadounidense y que p rodu jo el elem ento 102 bom bardeando uranio-238 con iones de neón. Al contrario de lo que Seaborg esperaba, al final el nom bre de nobelio fue aceptado por la U nión Internacional de Q uím ica Pura y .Aplicada.

Eos experim entos alquím icos de los años cincuenta fo rm aron el en tram ado para el trabajo posterior en esta área. I.a síntesis de elem entos <<tr^sferin؛ó n؛cos» aun m ás pesados (con z> 101) continuó, y en 1998 se reconocía la «existencia» de veinte elem entos artificiales, el m ás pesado correspondiendo a Z = 1 1 2 . Los principales actores en la fase posterior de ط alquim ia m oderna fueron el laboratorio I.awrence Berkeley, el centro de investigación nuclear de D ubna en Rusia y la Gesellschaft fü r Schwerionforschung Sociedad para la Investigación en Iones Pesados) en D arm stad t, A lem ania. A algunos

pioneros m ás de la física nuclear tam bién se les reconoció con elem entos bautizados en su honor, incluyendo a R utherford (ru therford io , Rf, 104), B ohr (bohrio , Bh, 107) y M eitner (m eitnerio , M t, 109). El viejo m aestro de la síntesis de elem entos, G lenn Seaborg, fue reconocido con el elem ento de núm ero 106 (s e ^ o rg io , Sg). N orm al- m ente, los elem entos no reciben nom bres de científicos vivos, pero en 1997 la U nión In ternacional de Q uím ica Pura y A plicada recom endó hacer una excepción en el caso de Seaborg.

Esperanzas y pel؛gro$ de la energía nuclear

La teoría básica de un reactor nuclear fue desarrollada duran te la guerra p o r Fermi, W igner y otros, y se com probó en reactores m ilitares. Después de 1945, se invirtió una gran cantidad de trabajo en com pletar la com prensión de los procesos de fisión y en desarrollar una teoría detallada del reactor nuclear. En 1958, con la publicación del m uy influyente The Physical Theory o f Neutrón Chain Reactors, de Alvin W einberg y Eugene W igner, el trabajo de los físicos había term inado en esta área. Una nueva espe- cié de científico-ingeniero, el ingeniero nuclear, fue la responsable de la segunda fase del desarrollo de reactores nucleares. A los ojos del público, sin em bargo, eran físicos, y la ciencia física equivalía a nuevas maravillas tecnológicas.

Los prim eros reactores nucleares, com enzando con la pila de Chicago de 1942, eran experim entales (tabla 19.2). Los reactores productores de energía fueron desarrollados en sus com ienzos por ingenieros británicos, estadounidenses y rusos. Al principio, la nueva industria nuclear basada en la ciencia avanzó con lentitud, pero a partir de la m i-


TABLA 9.2ل Selección de los prim eros reactores, 1942-1954

País Localidad Puesta en marcha M oderador Potencia (k w )

EEUU Chicago 1942 grafito 0.3.

EEUU O ak Ridge 1943 grafito 2.000

EEUU Chicago 1943 agua pesada 300

GB Harwell 1947 grafito 100

C anadá C halk River 1947 agua pesada 10.000

GB Harwell 1949 grafito 6.000

URSS M oscow 1949 agua pesada 500

EEUU Brookhaven 1950 grafito 28.000

N oruega ©slo 1951 agua pesada 300

Francia Saclay 1952 agua pesada 1.500

EEUU Idaho 1953 (n inguno) 1.400

GB O bninsk 1954 grafito 30.000

Nota: Todos los reactores eran más o menos experimentales y todos, excepto uno, eran ءل tipo tér- mico heterogéneo. La excepción era el reactor de 1953 de Idaho el cual es un cultivador, usando el 90 por 100 de uranio enriquecido y sin moderador. La energia dada en la últim a colum na es ط energía térmica.

tad de los sesenta, el ritm o de desarrollo se increm entó drásticam ente. Se podría creer que los líderes políticos e industriales de Estados U nidos acogieron la nueva fuente de energía e in ten taron utilizar la avanzada posición de la nación en el área para construir un sistema de energía nuclear civil. Sin embargo, éste no era el caso. M ientras que a los explosivos nucleares se les dio una alta prioridad, el interés estadounidense en la ener- gía atóm ica era inicialm ente lim itado. El país contaba con grandes reservas de petróleo y carbón, y las empresas industriales no preveían un am plio m ercado para la tecnología nuclear. La prim era estación de energía nuclear comercial del m undo no fue estadounidense, sino la británica Calder Hall, que em pezó a funcionar oficialm ente el 17 de آه - tubre de 1956. El reactor se basaba en la labor experim ental realizada en Harwell por ظ Fundación de Investigación de la Energía Atómica, el innovador centro de investigación nuclear británico dirigido por John Cockcroft. Más de un año después, una estación nuclear estadounidense siguió al reactor de Calder Hall, en Shippingport, Pensilvania, di- señada para producir 100 M W de potencia eléctrica. Pero la industria nuclear estadounidense tardó bastante en alcanzar el nivel de las demás. En 1966 G ran Bretaña era todavía el p roductor de energía nuclear más grande del m undo, © tros países la siguieron más lentam ente, en m uchos casos después de constru ir prim ero, o im portar, reactores experim entales (tabla 19.3). El p rim er reactor soviético estaba listo en 1949 y, cinco años después, los científicos e ingenieros soviéticos habían constru ido la prim era

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r ؛ < nt؛ a nuclear ،le، país; ai m enos de algún tipo, ya que producía sólo 5 M W de poten- eléctrica y debería describirse com ئ_- o sem iexperim ental.

Al principio, el interés de Estados U nidos en la energía nuclear estaba lim itado rr.ncipalm ente a aplicaciones m ilitares, lo cual, en lo tocante a reactores, significaba el program a de subm arinos con propulsión nuclear de la M arina. Fue duran te este pro- íram a cuando se construyó el reactor nuclear que p o r prim era vez p rodujo cantidades ¿preciables de electricidad. El reactor, denom inado M ark 1, se encendió en la prim ave- r i de 1 9 5 3 . Bajo la dirección del alm irante Fíyman Rickover, el p rogram a de la M arina guió adelante vigorosam:؛ ente y condujo a la bo tadu ra en 1 9 5 5 del Nautilus, el p rim er vehículo del m undo que funcionaba con energía nuclear. Algunos años después, una nave semicivil siguió al Nautilus, el rom pehielos soviético Lenin. A lgunos cargueros comerciales fueron equipados m ás adelante con reactores nucleares, pero las brillantes ^p e ran zas de una flota m undial de naves funcionando con uran io ni siquiera llegaron m ق aterializarse. La utilización m arina de reactores nucleares quedó lim itada sobre todo a los enorm es subm arinos. El tipo de reactor favorito de la M arina era el ordinario, o de agua «ligera», en el que se utilizaba agua tan to com o m oderador com o refri- gerante. Este tipo de reactor poseía ciertas ventajas técnicas, y, com o podía construirse de m anera relativam ente sim ple y com pacta, era m uy adecuado para los subm arinos y cargueros que Rickover planeaba. Ésta fue una im portan te razón para el dom inio posterior del reactor de agua ligera en el m ercado civil. La expansión explosiva de la industria nuclear estadounidense se p rodu jo duran te la adm inistración Kennedy, con la inauguración en 1 9 6 3 de u n reactor de agua h irv iendo de 6 4 0 M W en ©yster Creek, a petición de Jersey C entral Fower & Light Co. y m anufacturado p o r (General Electric. El m ism o año com enzó su funcionam iento el reactor de agua presurizada de 5 7 0 M W

TABLA 19.3C recim iento en energía en G W (miles de m illones de vatios),

para usuarios m ayoritarios de energía nuclear entre 1954 y 1978

1954 1960 1966 1972 1978

EEUU 0,002 0,482 1,91 14,83 91-71

GB — 0,414 2,97 4,50 10,95

Francia — 0,08 1,17 ?..71 5,58

URSS 0,005 0,305 1,02 2,62 10,01

A lem ania O ccidental — 0,015 0,33 2,33 13,51

C anadá — — 0,23 2,00 5,52

Japón — — 0,17 1,74 19,32

Italia — — 0,60 0,60 1,39

India — — — 0,58 1-18

Suecia — — 0,01 0,45 5,58

Total m und ia l 0,007 1,296 8,41 34,74 184,91


C onnecticut Yankee, c؛)n stru do p؛ o r W estinghouse. M uchos de los reactores in troducidos en Europa y Asia en los años setenta provinieron de estas dos com pañías.

D irecta e indirectam ente, las arm as nucleares con tinuaron siendo u n factor extre- m adam ente im portan te en la evolución de la física en Estados Unidos, ?oco después de la guerra, tuvieron lugar m uchas discusiones sobre cóm o organizar la investigación nuclear en tiem po de paz, especialm ente en lo tocante al papel de los m ilitares en la nueva organización y en cóm o poner de acuerdo las responsabilidades internacionales con los propósitos de defensa nacional. M uchos físicos y otros científicos atóm icos eran activos en estas discusiones y form aron un «m ovim iento científico» cuyo propo- sito era, entre otras cosas, trabajar p o r u n control civil de la energía nuclear. Su revista, el Bulletin o fth e Atom ic Scientists, se convirtió en un im portan te foro de política científica y discusiones sobro las consecuencias éticas de la creciente m ilitarización de la física (véase el capítulo 20). Sin em bargo, no existía ningún consenso entre los físi- eos, que estaban m uy lejos de fo rm ar un frente unificado contra la influencia de las fuerzas arm adas. Por ejem plo, la proposición de ley original de 1945 que enfatizaba los intereses m ilitares en la investigación nuclear y atóm ica recibió apoyo de físicos principales com o Lawrence, Fermi, A rthur C om pton y ()ppcnhelm er. Sin em bargo el resultado del debate político fue la Ley de Energía A tóm ica de 1946, gracias a la cual se constituyó la C om isión de Energía Atóm ica (A£C).

La AEC fue una organización civil poderosa, y heredó del estam ento m ilitar un gran núm ero de instalaciones de los años de la guerra. A unque el establecim iento de la AEC fue percibido en general com o una victoria civil sobre los intereses m ilitares en los asuntos atóm icos, gran parte de ط investigación tem prana de la AEC fue cedida a las fuerzas arm adas. La AEC se convirtió en seguida en uno de los grandes benefactores de la física estadounidense, aunque no era el m ayor de ellos. En 1949 la AEC y el D epartam ento de Defensa (D © D ), en una proporción m uy aproxim ada de dos partes respecto a tres, com putaban jun tos el 96 po r 100 de todo el dinero federal invertido en investigación universitaria en la ciencia física. La mezcla de apoyo m ilitar y civil a la fí- sica causó poca preocupación entre la m ayoría de los físicos, para quienes el dinero no dejaba de ser dinero.

Ya en tiem pos del Proyecto M anhattan , la posibilidad de una bom ba de fu.؟lón o de hidrógeno había sido seriam ente considerada y defendida, en concreto p o r Edward Te- 11er. La idea de utilizar una bom ba de uran io para provocar u n a reacción term onuclear violenta parece que se le ocurrió a Fermi ya en el o toño de 1941. En ظ prim avera de 1946, una conferencia dedicada a la posibilidad de una bom ba term onuclear conclu- yó: «Es probable que u n a superbom ba se pueda constru ir y que funcione» (Rhodes 1995, p. 255). En cualquier caso, al proyecto se le dio una p rio ridad baja y posterior- m ente, en 1946, los estudios sobre la fusión term inaron en Los Álamos. Fue sólo a raíz de la explosión nuclear soviética de 1949 cuando la idea de Teller de una «superbom - ba» nuclear, apoyada tam bién po r Lawrence yA lvarez en Berkeley, fue tom ada en serio y consiguió apoyo político. En otoño de 1949, el influyente C om ité Asesor Ceneral científico (GAC) de la AEC recom endó no proceder con la bom ba de hidrógeno. La

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mavoría, que consistía en O ppenheim er, C onant y Lee DuBridge (un físico y presiden- ة: de Caltech), argum entó con térm inos éticos y políticos que la bom ba era innecesa- ~ d- ق e hecho, no d eseada- porque «involucraría una decisión de llevar al m atadero a -_r. am plio núm ero de civiles». Ferm i y Rabi, aun publicando su apéndice m inoritario , ^ a b a n de acuerdo en el rechazo de lo que consideraban ser «un peligro para la hu- m anidad en general» y «necesariam ente una cosa mala a todas luces». La «súper», es- ^ b ie r o n , «no puede ser justificada en n ingún cam po ético que otorgue al ser hum a- T؛o una cierta individualidad y d ignidad incluso si ocurre que sea un residente de un país enemigo» (Badash 1995, p. 93). Ya en 1946, A rthur C om pton había avisado que *este desarrollo no debería ser llevado a cabo, princípalem ente porque deberíam os preferir com batir en u n a guerra en vez de conseguir una v ictoria obtenida a expensas del enorm e desastre hum ano que sería causado po r su uso determ inado» (Rhodes 1995, p. 207).

Existían otras voces, más ruidosas, especialm ente la de Tellcr, que argum entaba con pasión a favor de u n program a de choque term onuclear. D urante el principio de la G uerra Fría, su voz llegó a los oídos de m uchos políticos y, lo que no sorprende, a m u- chos generales y alm irantes. La recom endación del inform e controvertido del GAC no tile aceptada y en 1950 el presidente Trum an autorizó el desarrollo de u n a superbom - ba basada en la fusión. La mayoría de los m ejores físicos estadounidenses, incluidos algunos de aquellos (com o O ppenheim er, Bethe y Fermi) que habían discutido en contra de la superbom ba, ahora estaban involucrados colectivam ente en u n esfuerzo para encontrar el cam ino de cóm o constru ir la bom ba. La idea fundam ental era la de hacer una m asa de mezcla de deuterio y tritio p o r el enorm e calor p roducido p o r una bom - ba de fisión. D urante u n tiem po, esto parecía casi im posible, pero en la prim avera de 1951, Teller y el m atem ático Staníslau؟ D lam encon traron un m odo de concentrar la presión de la radiación de la bom ba de fisión de tal m odo que com prim iera y calenta- ra el com bustible de la fusión. C uando obtuvo la solución, conocida com o la aproxi- m ación del acoplam iento de la radiación, se dijo que O ppenheim er se había im presionado porque era «técnicam ente tan dulce» (Kevles 987 ا , p. 378). C on este im portan te hito, el trabajo en Los Áfamos siguió su curso tal com o estaba planeado, y en 1952 estaba listo ü n aparato de prueba term onuclear llam ado «Mike». Fue detonado con éxi- to en el atolón Fniwetok en el Pacífico el 1 de noviem bre de 1952. Llevó año y m edio de duro trabajo el desarrollo de «Mike» en u n a bom ba real que pudiera ser lanzada desde u n avión. £1 resultado fue «Bravo», que explotó el 1 de m arzo de 1954. Fl rendi- m iem o destructivo fue im ponente, correspondiendo a unas 15 m egatoneladas de dinam ita o más de mil veces la de la bom ba de H iroshim a de 1945.

Las bom bas de hidrógeno, elaboradas sobre todo p o r razones políticas, fiieron triunfos de la ciencia e ingeniería estadounidenses, pero no tan to para la política mundial estadounidense. En 1949, la un ión Soviética explotó su p rim er aparato nuclear, un equivalente de la p rueba «Trinity» estadounidense de 1945 que, com o aquella, funcío- naba con plu tonio . Fue esta bom ba la que en gran m edida aceleró los e$fuer'¿o$ estadounidenses para constru ir una bom ba aún más po ten te y p o r tan to conseguir una


ventaja decisiva en ط G uerra Fría que había sido recientem ente, sí b ien no declarada, sí reconocida com o una realidad. Pero la ventaja du ró poco. La U nión Soviética siguió con celeridad en su carrera de nuevas arm as, p rim ero en agosto de 1953 con un aparato de p rueba term onuclear y después en 1955 con una bom ba de hidrógeno lanzada desde un avión. El rendim iento estim ado en unas cuantas m egatoneladas fue m enor que la bom ba estadounidense, pero era una superbom ba y resultó ser sólo el principio. La m ayor explosión provocada jam ás p o r el hom bre fue conseguida en 1961, cuando la U nión Soviética probó un nuevo tipo de bom ba de hidrógeno. El poder explosivo fue de 58 m egatoneladas de dinam ita, correspondientes a casi 5.000 bom bas de H iroshim a.

Energía de fusión controlada

A partir del trabajo hecho en la bom ba de hidrógeno, era natural estudiar la posibilidad de usar la energía de fusión tam bién para fines pacíficos, en concreto con el objeto de desarrollar u n reactor de fusión com o análogo al reactor de fisión. El p rim er intento en esta dirección, confinando plasm a caliente en un cam po magnético, no fue por ؛nspl- ración de la bom ba de hidrógeno, sino por la teoría de las reacciones term onucleares de Bethe. Ya en 1938, dos físicos estadounidenses de física aplicada, A rthur Kantro^'ltz y Eastm an Jacobs, in tentaron obtener fusión en u n gas de hidrógeno enrarecido encapsu- lado en un toroide magnetizado. De m anera no sorprendente, fracasaron. La posibilidad de la fusión controlada fue debatida durante la últim a fase del Proyecto M anhattan, pero no fue sino hasta 1951 en que se convirtió en un program a de investigación real bajo ط AEC. El program a, conocido com o Proyecto Sherwood, incluía a u n gran núm ero de laboratorios destacados de física, y se realizaron ocho conferencias de Sherwood entre 1952 y 1958. Los participantes más im portantes de Sherwood fheron Los Álamos (con 46 físi- eos participantes en una o m ás de las conferencias de Sherwood), la Universidad de Prin- ceton (con 41), el Laboratorio de Radiación de ظ Universidad de California (con 86), y el Laboratorio Nacional de ©ak Ridge (con 22). Sherwood era gran ciencia, y ciencia cara. El presidente de la AEC entre 1953 y 1956, Lewis Strauss, fue un gran defensor de la ftrsión controlada, y estaba convencido de que el program a tendría éxito solamente sí se le dotaba de suficientes recursos. El dinero no fue un problem a: desde 1954 a 1958, Strauss increm entó la inversión en el program a de fusión desde los 1,8 millones a los 29 د millones. «Sin duda, no existe una reducción de dinero para este trabajo», destacaba un inform e sobre el Proyecto Sherwood en 1956. «De hecho, uno tiene la im presión al visitar su.؟ diversas instalaciones que el núm ero de dólares disponibles por cada buena idea m ás bien es incóm odam ente grande. Existe con certeza un sentim iento de algo de pre- sión para que se gaste el dinero que está disponible» (Bromberg 1982, p. 44). En los Es- tados Unidos, el pionero de ظ fusión controlada fue Lyman Spitzer, un astrofísico que

había trabajado a tiem po parcial en el proyecto de la bom ba de hidrógeno y C U )'0$ estudios astrofísicos le habían convertido en un experto en la física del plasma.

La idea fundam ental de la energía de fusión controlada es sim ple, en concreto, a lge

así com o confinar س plasm a de hidrógeno pesado y caliente m ediante cam pos m a g

Temas nucleares 281

néticos y calentar el plasm a a los m uchos m illones de grados necesarios para que los procesos de fusión ©curran con una frecuencia r a z o n a b l e . £ n su etapa más tem prana, los principales problem as encontrados eran: (1) calentar el plasma; (2) m antener el proceso de firsión, esto es, hacer que la energía liberada en el plasm a fuera al m enos suficiente para m antener la tem peratura, y (3) confinar el plasm a en un estado estable. Spitzer sugirió usar la reacción deu teró n -tritó n 2H + 3H —> 4He + n + 17,6 MeV, que habría sido más fácil de conseguir que la reacción deuterón-deu terón , bien en la forma 3He + n + 3,2 MeV o bien com o -’H + 1H + 4,0 M eV Entre las desventajas de la pri- m era reacción m encionada era que usaba tritio , que no existe en la naturaleza, pero esto fue m ás que com pensado por la p roducción may©r de energía y la m enor tem peratura de ignición necesaria para u n proceso autosostenible. M ientras que esta tem peratu ra es de unos 45 m illones de K para el proceso de d eu te rón -tritón , es de unos 400 millones de K para los procesos deu terón-deuterón .

Eos estadounidenses afron taron el problem a del confinam iento de m odos distintos, de entre los cuales m encionarem os sólo la solución técnica más favorecida en la fase tem prana, c©noc؛da com o el stellarator. Spitzer dem ostró ' ' ' que un toroenroscado en form a de ocho (un tubo stellarator) y suplido con bobinas portadoras de corriente p roporcionaría u n cam po m agnético axial adecuado para confinar el plasm a. El p rogram a stellarator fue iniciado en 1951 p rim ariam ente en la U niversidad de Prin- ceton. Los experiment©s con el stellarator sufrieron varias m odificaciones y su diseño fue gradualm ente m ejorado al ir consiguiendo los físicos más conocim ientos. A finales de 1954, Spitzer y su grupo tenían listo u n stellarator a gran escala (llam ado ¡node- lo D), una m áquina de más de 150 m etros de largo que operaba a una tem peratu ra de unos 200 m illones de K. La inversión total se estim ó en cerca de m il m illones de dóla- res y se estim aba que la m áqu ina podría proporc ionar una salida neta de potencia eléc- trica de 5 GW.

En cualquier caso, no se llegó tan lejos. En 1954, Teller argüyó que aparecerían ines- tabilidades en el stellarator ante corrientes grandes, y la evidencia experim ental de 1955 parecía confirm ar su predicción. El trabajo con el m odelo D fue detenido y se decidió ganar en experiencia con los m odelos m ás pequeños para poder encon trar form as de estabilizar el plasma. Al cam biar la geom etría esto se com probó com o posible, pero sólo en cierto grado y, a p a rtir de 1956, el program a stellarator estaba en un estado de incertidum bre, si no de crisis. A pesar de las num erosas dificultades, el costoso program a continuó en una cierta atm ósfera artificial de optim ism o. En 1957 se em pezó el trabajo de diseño y construcción del stellarator de m odelo c , diseñado para conseguir una tem pera tu ra de unos 100 m illones de grados Kelvin. En esa época, la actitud oficial era aún optim ista. Amasa Bishop, un físico de altas energías que desde 1953 era el m iem bro responsable del AEC para el Proyecto Sherwood, escribió sobre el program a del stellarator: «N um erosas dificultades experim entales c o n t in ú a n plagando el pr©gre- so del trabajo; existen, sin em bargo, razones para creer que estas dificultades pueden y serán vencidas con el tiem po». Sobre el proyecto Sherw ood en general: «Con ingenio, trabajo duro y un poqu ito de buena suerte, parece incluso razonable esperar que un


aparato de producción de energía term onuclear a gran escala pueda ser constru ido en el siguiente decenio o dos decenios» (Bishop 1958, pp. 167 y 170). D espués de todo, el concepto de stellarator sólo era una form a de entre varias de m antener el plasm a confinado en las condiciones adecuadas. Quizá fue u n poco de buena suerte el que faltó al proyecto de stellarator. El proyecto continuó hasta finales de los años sesenta, pero nunca llegó a ceder paso a lo prom etido. En esa época u n nuevo concepto, conocido com o el tokamak y p rim ero desarrollado p o r los investigadores rusos, em pezaba a parecer m ás prom etedor. En consecuencia, los físicos de Princeton cam biaron su proyec- to de stellarator por u n proyecto tokamak. El cam bio m undial alrededor de 1970 hacia las m áquinas tokam ak ha sido descrito com o un cam bio de paradigm a en la investiga- ción de la fusión.

D urante la p rim era Conferencia In ternacional sobre Usos Pacíficos de la Energía A tóm ica en C inebra en 1955, H om i Bhabha, el físico indio y jefe de la Com isión de Energía A tóm ica de su país, se refirió a la fuente de energía del fu turo en térm inos ٠© m enos optim istas que los de Bishop: «Los problem as técnicos son form idables, pero [...] m e aventuro a predecir que se encontrará u n m étodo para liberar energía de fu- sión de u n a m anera contro lada en las dos décadas que vienen. C uando esto ocurra, los problem as energéticos del m undo realm ente habrán sido resueltos para s iem p re ,١۵ que el com bustible será tan abundan te com o el h idrógeno pesado de los océanos■ (Brom berg 1982, p. 67). Una de las razones del interés en la fusión controlada es que prom etía un sum inistro prácticam ente inagotable de energía barata. Incluso a princi- píos de los años cincuenta, sin crisis energética alguna que am enazara, existía la per- cepción de que las reservas de los com bustibles fósiles eran lim itadas y que el com bus- tibie nuclear en form a de uran io no podía ser la respuesta final al consum o m undiai en constante aum ento. La com unicación de Bhabha era una de las prim eras veces en que un físico habló abiertam ente de la fusión controlada. El trabajo en el program a de fusión estadounidense era clasificado, y la p ropia existencia del Proyecto Sherwood suponía que era un secreto. Éste tam bién era el caso de similares proyectos en otros países. U na de las razones para el secretism o era la significación m ilitar de las fu e n te intensas de neutrones que 1a fusión controlada proporcionaría. Sin em bargo, en 1956 se decidió que no había razones ni m ilitares ni políticas para m antener el trabajo en secreto. En 1958, en tiem pos de la segunda conferencia de G inebra, سمهل0ة Unidos desclasificaron la m ayoría de sus trabajos y liberaron inform ación sobre el stellarator V

otros conceptos de la fusión controlada. -Los Estados U nidos no estaban solos en el in ten to de desarrollar la fusión contro-

lada. En G ran Bretaña, George p. T hom son pensó en esta posibilidad ya en 1945 y لف año siguiente entregó una petición de patente de un aparato en el cual el deuterio gaseoso se calentaba m ediante una corriente alterna de alta frecuencia. La idea de Thom - son era u n aparataje de efecto «pinch» (o «pellizco» en castellano) en el cual el campo m agnético confinando el plasm a no era externo, sino que estaba provisto por la m -فنm a corriente del plasm a. Los experim entos de firsión británicos, que usaban tan to ثث1 ideas de T hom son com o las de Peter T honem ann de la U niversidad de Oxford, em pe

Temas nucleares 283

zaron en 1949, antes del correspondiente trabajo am ericano. Estos experim entos resultaron en la m áquina ZETA (de Zero-Energy T herm onuclear A pparatus), un toro reveno de deuterio gaseoso y encendido p o r un pulso de 100.000 am perios o más. C uando fue puesta en funcionam iento po r prim era vez la ZETA, se observaron en el plasm a ;n gran núm ero de neutrones, los cuales se estim aban que ten ían u n a tem pera tu ra de al m enos u n m illón de grados Kelvin. Fue u n resultado prom etedor pero no estaba claro si los neutrones realm ente eran de origen term onuclear y, po r tanto, que se hubiera conseguido la fusión. En 1958 resultó que la m ayoría de los neutrones no eran te rm o nucleares. La ZETA com partió el destino del stellarator. Am bos fueron decepcionantes, si bien ncrprbvectos inútiles.

Incluso siTos abundantes recursos usados en los procesos term onucleares contro lados no creaban un reactor de fusión, sí que creaban una nueva com unidad científica. La física de plasm a es u n objeto de estudio más antiguo y m ucho más am plio que la fusión. La investigación en esta área se realizó en los años veinte y trein ta, cuando Langm uir era el p ionero en los aspectos experim entales y Landau en los aspectos teó ricos. En cualquier caso, el interés en el cam po era disperso y estaba lim itado a plasm as de bajas tem peraturas. La com binación de los estudios clásicos sobre plasm a con la nueva física de plasm a m agnético transform ó la especialidad en una subdisciplina científica im portan te . La desclasificación y libre in tercam bio de inform ación entre in vestigadores estadounidenses, británicos y soviéticos después de la conferencia de G inebra de 1958 proporc ionaron las condiciones de form ación de una com unidad in te rnacional de físicos de plasma: com o expresó el físicos soviético Lev A rtsim ovih en su com unicación a la conferencia de G inebra, «este problem a [la fusión controlada] parece haber sido creado especialm ente con el objetivo de desarrollar una estrecha cooperación entre los científicos e ingenieros de varios países, que trabajan en este problem a de acuerdo a un plan com ún y continuam ente intercam biando los resultados de sus cálculos, experim entos y avances de ingeniería» (Post 1995, p. 1640). A la desclasificación le vino asociada una m area de publicaciones, la m ayoría de ellas clasificadas con anterioridad. Los investigadores de la fusión ahora em pezaban a publicar en revistas de física corrientes, tales com o Physical Review y tam bién en la recientem ente fundada Physics o fF luids o, en la U nión Soviética, Atom ic Energy. Además disponían de la revista Nuclear Fusión, que fue creada en 1960 p o r la Agencia In ternacional de Energía Atóm ica (AIEA) y abarcaba artículos en inglés, ruso, francés y español. La nueva situación resultó rápidam ente en nuevos cursos universitarios y program as de posgrado de física de plasm a de altas tem peraturas y en u n increm ento de doctores en física en este cam po. En los Estados U nidos el núm ero subió de 14 en 1960 a 99 en 1963, siendo en su m ayoría de la U niversidad de Princeton, donde la física de plasm a se había convertido en el m ayor program a de investigación en 1958. O tro indicador de la fuerza del nuevo cam po fue la creación de la División de Física de Plasm a en la A m erican Physical Society. El cam bio desde u n p rogram a secreto orien tado hacia una m isión, a una disciplina científica norm al im plicaba u n cam bio en los m étodos y estándares adoptados p o r los físicos del plasm a. La aproxim ación de ingeniería y a veces de ensa


yo y erro r dieron paso a m étodos más sistem áticos y rigurosos, conform es con aque- líos de o tras di،sc؛p؛؛nas de física académ ica. El proceso hacia la respetabilidad c؛en t؛fica, sin em bargo, no tuvo lugar sin problem as y hubo físicos que veían la nueva disciplina con escepticismo. D uran te u n tiem po, la investigación en plasm a y fusión gozó de una baja reputación académ ica, en parte debido a su herencia de un proyecto clasificado com o secreto dependiente básicam ente de m étodos de ingeniería.

C uarenta años y varios miles de millones de dólares después de que Thom son y Spit- zer pensaran por prim era vez en cóm o obtener energía de fusión, los físicos e ingenieros siguieron con sus intentos de desarrollar un aparato p roductor de energía. En 1990 el tokamak todavía era considerado el concepto de energía de fusión más pronietedor por su excelente habilidad de confinar el plasma. En aquella época, las m áquinas mayores eran la TFTR (Tokam ak Fusión Test Reactor) de Princeton y la europea JET (Joint European 'lórus). A finales de los años ochenta, am bas m áquinas consiguieron una calidad de confinam iento -e l p roducto de la densidad del plasm a y el tiem po que la ener- gía perm anece en el plasm a antes de filtrarse- de 1,5 X 102° seg m ^ y una tem peratura de unos 20 kEV (correspondientes a unos ل 5؛ر m illones de K). Éstas son condiciones cercanas al nivel crítico, donde se produce más energía de la que es usada. Com 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 un destacado físico e ingeniero que «si podem os em pezar p ron to a diseñar y constru ir el gran escalafón siguiente [la m áquina de 400 millones de dólares X -l] , creemos que podem os term inar el trabajo en diez años» {Scientific Ame- rican, agosto 1998, p. 27). De todos m odos, al final del m ilenio un reactor que produz- ca energía no se ha hecho realidad y la energía de firsión comercial sigue siendo un sue- ño del firturo, incluso posiblem ente de un fu turo lejano.

مه1ماا £٠ €أا

Militarización y megatendencias

ا * física: ¿una sucursal militar?

La Segunda G uerra M undial m arcó un hito para la ciencia estadounidense y para sus eientíficos. C am bió la naturaleza de lo que significaba hacer ciencia y alteró de m anera radical la relación entre ciencia, adm inistración [...] ejército [...] e industria» (For- m an 1987, p. 152). Fso escribió en 1984 Jefrold Zacharias, un im portan te físico de la década de los cincuenta con gran experiencia en proyectos m ilitares y políticas cienti- fícas. £1 pu n to de inflexión m arcado po r ظ guerra dependía en gran m edida de una nueva escala y estructura de financiación de la ciencia, en concreto, un aum ento espectacular de las subvenciones federales (a escala nacional). Antes de la guerra, dichas ayudas eran insignificantes, alrededor de un m illón de dólares para la totalidad de la investigación básica de física en los Fstados U nidos. Se ha estim ado que el m ontan te total de dinero federal para física básica en 1953 fue de unos 42 m illones de dólares, o ظ m itad de esa cantidad expresada en dólares de 1938. Los fondos federales reales para física básica en el periodo se vieron, p o r tanto , increm entados en un factor de al m e- nos veinte veces. Además, existía el apoyo de la Fundación Rockc'feller y de o tros filán- tropos, pero esta form a de financiación se convirtió en relativam ente insignificante en una era dom inada po r subvenciones masivas de la adm inistración pública federal.

En los años cincuenta y sesenta, los fondos federales eran en general sinónim o de presupuestos m ilitares o de dinero del D epartam ento de Defensa y de la C om isión Energética A tóm ica (de carácter civil pero, en la práctica, o rien tada hacia lo m ilitar). El gráfico 20.1 resum e de qué m anera los gastos m ilitares para investigación y desarrollo (1+D) cam biaron entre 1935 y 1985. Hay que tener en cuenta que el I+D es una categoría m ucho más am plia que la ciencia, que a su vez es más am plia que la física. El objetivo es destacar la escala de la investigación m ilitar y el gran porcentaje que constituye lo subvencionado por la adm inistración pública. For supuesto, sólo había una pequeña parte de este dinero destinada a la física, pero era una parte fundam ental del


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

presupuesto de la física estadounidense y, por tan to , de la física m undial. En to rno a 1950, alrededor del 70 p o r 100 de todo el tiem po de investigación de los físicos en la universidad se em pleaba en estudios patrocinados p o r el D epartam ento de Defensa (DOD, po r sus siglas en inglés) o la C om isión de Energía A tóm ica (Atomic Energv C om m ission, AEC). Al m ism o tiem po, el 98 po r 100 de los 22 m illones de dólares em pleados por el gobierno en física académ ica venía de una de las dos instituciones m encionadas. C on el auge de la Fundación N acional de la Ciencia (N ational Science Foundation, NSF), el porcentaje dism inuyó, pero no de m anera drástica. En 1960, bajó al 92 por 100. Los datos de apoyo federal a la física fundam ental de estado sólido ilustran la

Militarización y megatendencias 287

estructura general de distribución de fondos. En 1953, esta área recibió 3,1 m illones de dolares en apoyos federales, de los cuales solam ente 10.000 dólares venían de la NSF. Dos años después, el apoyo se increm entó a 4,5 m illones con 3,8 m illones provenientes del presupuesto m ilitar, 0,6 m illones de la AEC y 0,1 m illones de la NSF. El apoyo rruiitar se dividía entre el Ejército, la M arina y las Fuerzas Aéreas en una proporción de " : 6 : 5 . Sin fijarnos en los detalles, duran te las dos prim eras décadas después de la guerra, las fuentes dom inantes de financiación de la física estadounidense estaban todas relacionadas con el sistem a militar.

No debería sorprendernos que algunos físicos pensaran que su ciencia estaba pelican am en te cercana a convertirse en una sim ple ram a de la estructu ra militar. Philip M orrison; uno de los científicos jóvenes del Proyecto M anhattan , hizo constar su p reo cupación en 1946, declarando que «por cada dólar que la U niversidad de California ;asta en 'sus físicos de Berkeley, la A rm ada gasta siete [...] En algunas escuelas el n o venta po r 100 de su apoyo en investigación proviene de los fondos del Ejército». M o- rrison estaba preocupado de lo que parecía u n a m ilitarización de la física, pero se dio cuenta del dilem a que afrontaban tan to él com o sus colegas, «el físico sabe que la situación es equivocada y peligrosa. Sabe que debe seguir adelante, porque sin duda n e cesita el dinero [...] No es sólo que la guerra le ha enseñado que u n esfuerzo m uy apo- vado económ icam ente puede aum entar m ucho su efectividad, sino tam bién que su cam po ya no sigue g irando en to rno a lo que hacen posible pequeños grupos de h o m ares [...] el físico necesita apoyo m ás allá de la capacidad de las universidades. Si la O N R [O ficina de Investigación Naval, Office o f Naval Research], o su nuevo equivalente en la A rm ada, el G-6, aparece con un buen contrato , sería casi im posible rechazarlo» (M orrison 1946, p. 5). M orrison hizo cam paña para que la NSF civil, entonces cuestionada, sustituyese a las instituciones m ilitares com o principales benefactores de la física.

La filosofía de la NSF estaba basada en gran m edida en las ideas de Vannevar Bush en su inform e de 1945, Science: The Endless Frontier. En este influyente trabajo, Bush p ro pugnaba u n a «organización controlada p o r lo civil con relaciones estrechas con la A rm ada y la M arina, pero con fondos directos del Congreso, y el poder claro de iniciar investigación m ilitar que servirá com o suplem ento y fortalecim iento a la investigación llevada a cabo directam ente a través del Ejército y la M arina» (Schweber 1989, p. 676). No obstante, cuando la NSF em pezó en 1950 tenía unos recursos m uy lim itados, y por tan to una im portancia relativam ente baja en sus com ienzos. Sólo en 1972 ocurrió un cam bio im portan te al aprobarse en el Congreso de Estados U nidos la enm ienda de M ansfield, en v irtud de la cual las instituciones m ilitares debían restringir sus esfuerzos investigadores a proyectos de relevancia m ilitar y abandonar su com prom iso con la investigación básica. A unque siem pre hubo físicos resentidos po r el papel m ilitar en la ciencia civil, eran pocos y sin m ucha influencia. Al declararse la G uerra de Corea, las críticas fueron m uy silenciadas. M uchos físicos que eran críticos con el dom inio m ilita r ahora aceptaban la situación y estaban dispuestos a trabajar para los m ilitares o a recibir su dinero.


Los nexos entre ١٠ m ilitar, la industria de defensa y los físicos fueron reforzados aún más después del llam ado «im pacto del sputnik» en 1957. En ese m ism o año, el presidente Eisenhower estableció una nueva institución en la Casa Blanca, el C om ité Ase- sor del Presidente en Ciencia, dirigido por James Killian, presidente del M IT (Massa- chusetts Institute ofTechnology). El com ité de Killian estaba dom inado p o r físicos, así com o el de su sucesor, Jerom e Wiesner, asesor científico del presidente Kennedy. Tan- to Killian com o ^îesner estudiaron física e ingeniería y tenían conexiones cercanas con los militares. El nacim iento en 1958 de ظ NASA (N ational Aeronautics and Space Ad- m in istra tion) p rodujo nuevas ventajas para los físicos. La G uerra Fría y la carrera es- pacial y de misiles crearon oportun idades única.؟ para los físicos que ahora podían en m uchos casos elegir entre los fondos de la adm inistración m ilitar (D O D ), civil (NSF, NASA) y cuasi-civil (AEC) para sus proyectos de presupuestos más elevados que nunca. En los años sesenta, los físicos de Estados Unidos estaban en la cúspide del m undo, en lo económ ico, social y científico. La atm ósfera general de entusiasm o p o r la ciencia y de optim ism o tecnológico sin barreras ha sido descrita entusiastaniente por Daniel Kevles: «Era una época en la cual los estadounidenses señalaban a los físicos nucleares com o la tercera m ejor profesión en cuanto a su estatus, habiendo sido los decim oquin- tos en 1947, po r encim a de todos excepto de los jueces de la C orte Suprem a y de los mé- dicos; cuando los físicos, entre otros científicos, eran identificados no sólo com o los constructores de bom bas y misiJes sino los progenitores de aviones, ordenadores, tele- fonía de m arcación directa, radios de transistores, equipos de sonido estereofónicos y televisión en color, cuando ط investigación y desarrollo en el cual Clark Kerr, presidente de la Universidad de California llam ó a ésta la “era de la industria del conocim iento” eran supuestas generadoras de una expansión económ ica infinita» (Kevles 1987, p. 391).

Los físicos estaban m im ados tam bién en lo económ ico. En 1958, Ja población de fí- sicos era de J2.702, siendo sus dos cam pos principales Ja física nuclear (2.622) y la fí- sica de estado sólido ( 9 2 6 En térm .(ل. inos cuantitativos, la com unidad de físicos no era tan im presionante. En el m ism o año, Estados U nidos contaba con 35.805 quím icos y 18.0f5 biólogos; incluso las ciencias de la tierra, con 13.071 geólogos, tenían m ás cien- tíficos que la física. Pero aunque había casi tres veces m ás quím icos que físicos, Ja quí- m ica recibió sóJo Ja m itad de fondos federales para investigación. Cada físko recibió de m edia lf .0 0 0 dólares, siendo la can tidad para cada quím ico de 1.900(dólares, para cada biólogo 4.900 y para geólogos y m atem áticos las cantidades eran de 1.80ífy 1.700 respectivam ente.

El apoyo m ilitar no estaba lim itado a las áreas de pertinencia directa e incluso indirecta a lo bélico, sino que cubrían todos los aspectos de Ja física, incluyendo áreas que parecerían de m ín im a im portancia para los intereses m ilitares. N um erosos laboratorios, conferencias, escuelas de verano y proyectos de investigación eran financiados en parte o com pletam ente p o r las instituciones militares. El sistem a enseguida se m ulti- plicó com o las setas convirtiéndose en una industria propia y en una parte natural de la vida diaria de los físicos y, en cierto m odo, así sigue siendo en nuestros días. C om o ejem plo de investigación m ilitar física en lo que parecería estrictam ente u n área no m i


litar, estarían los Laboratorios de Irwestigación A eronaútica (A eronautic Research La- boratories, ARL) en la base aérea \^^؛ght-Patterson en Ohio. Encabezada p o r Joshua Goldberg, en 1956 los ARL iniciaron una investigación ؛Im p o r ta n te y un p rogram a de apoyo a ط relatividad general, en una época en que esta ram a de la ؛'؛sica m atem ática era incluso más esotérica e inútil que hoy en día. D uran te sus dieciséis años de ex؛s- tencia - fu e elim inado por la enm ienda M ansfield- el p rogram a desem peñó u n papel m uy ؛m portan te en la revitalización de la teoría de la relatividad general. Por ejemplo, apoyo a teóricos punteros com o John Wheeler, H erm ann Bondi, Pascual Jordán, Félix Pirani, Roy K erryA lfred Schild. C om o una de sus prim eras actividades, los ARL apoyaron, ju n to con la Oficina de Investigación de la A rtillería y la NSF, la conferencia de Chapel Híll de 1957 sobre «El papel de la gravitación en la física», subvencionando ؛٨ - cluso los viajes desde Europa p o r transpo rte m ilitar aéreo para los ' ' ' europeos. D urante sus últim os años, los ARI, organizaron m ás conferencias, apoyaron a teóricos estadounidenses y extranjeros y firm aron contratos con universidades. El trabajo resultante del p rogram a era científicam ente relevante, pero a duras penas de relevancia militar. Los títulos típicos de los inform es de los ARL eran «Cuantización de las teorías de cam po covariante» (de Peter Bergm ann) o «C ontribuciones a los problem as reales de la relatividad general» (de Jordán).

La más im portan te de las prim eras agencias de patrocinio m ilitar en ciencia era probablem ente la ONR, ظ cual en 1949 podía decir que «el inm enso p rogram a universitario de investigación del D epartam ento de la M arina es la cooperación m ás grande en tiem pos de paz llevada a cabo en la h istoria entre el m undo académ ico y el gobierno». C on u n gasto total de aproxim adam ente 20 m illones de dólares, «casi 3.000 científicos y 2.500 estudiantes universitarios están involucrados de m anera activa en proyectos de investigación básica en los num erosos cam pos de interés vital para la Ma- riña» (Schweber, 1988, p. 17). El gasto de la O N R era m enos del 5 po r 100 del gasto de la M arina en investigación y desarrollo hasta 1950 (aproxim adam ente 1,8 miles de m i- llones), pero aun así más que duplicaba el dato total de 1940 de 8,9 m illones. En otras palabras, a lo largo de una década, el gasto de la M arina en investigación y desarrollo se m ultiplicó po r el increíble factor de veinte. Entre las num erosas actividades de la O N P se encontraba el patrocin io del L aboratorio de Ciencia e Ingeniería N uclear del MIT, con u n presupuesto en 1950 de casi 1,2 m illones. La O N P tam bién organizó conferencias y escuelas de verano, siendo el estudio «Proyecto Hartwell» de 1950 uno típi- co suyo. Éste era u n proyecto concertado en tre el M IT y la O N P, dirigido p o r Zacha- rias, d irector del Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Nuclear. Su objetivo era estudiar la guerra subm arina, incluyendo su coordinación con las arm as atóm icas tácticas. El breve e intensivo estudio atrajo a algunos de los m ejores físicos de la nación, com o Luís AJvarez, Pobert D¡cke, Philip M orse, Charles Lauritsen, Edward Purcell y Jerome Wies- ner. Era uno más de los num erosos proyectos de estilo sim ilar que estaban siendo conducidos entonces y sin duda duran te lo que quedaba de siglo. Fue m uy im portan te para los prim eros proyectos de defensa el hacer partícipes a físicos excepcionales de gran valía científica y de im portancia com o m érito académico: si u n prem io N obel y


destacado físico podía unirse a un proyecto militar, ¿١٦() debería hacerlo usted? La Ma- riña y el resto de ؛as fuerzas arm adas disfru taron de un adm irable éxito en la estrategia. Sería m uy difícil poder m encionar a u n físico estadounidense im portan te que sistem áticam ente se negara a trabajar en proyectos militares. Desde 1950, más de tre in ta prem ios Nobel habían recibido fondos directos del D epartam ento de Defensa. La par- ticipacibn en trabajos orientados hacia la defensa se aceptó p ron to e incluso era considerada com o una cualificación académica.

Lstados U nidos no fue el óuico país en m ovilizar físicos al servicio de ط G uerra Fría, tam bién lo hizo la U nión Soviética. Tanto po r razones científicas com o militares, era im portan te para los am ericanos y para sus aliados occidentales conocer qué pasaba den tro de los laboratorios soviéticos. La inm ensa m ayoría de la investigación sovíé- tica no clasificada era publicada en ruso, y p o r esa m era razón no era fácilm ente accesible para los científicos occidentales. En 1955, el Institu to A m ericano de Física, con el apoyo de la NSF inició un program a de traducción de revistas científicas soviéticas para que los físicos occidentales pudieran estar al tan to de los últim os avances en la U nión Soviética. Fíacia 1959, nueve revistas soviéticas eran traducidas po r com pleto, ju n tan d o unas 13.000 páginas en conjunto. Las revistas traducidas incluían la JETP (Revista de Física Teórica y Experimental), la revista de resúm enes Uspekhi y Doklady, la sección de física de las Actas de la Academia de Ciencias de la URSS.

¿Cuál fue el efecto del patrocinio m ilitar masivo de la física estadounidense? En prí- m er lugar, desde luego, hizo que creciera realm ente, no sólo en física aplicada, sino en física fundam ental, donde la posición estadounidense fue reforzada en su liderazgo m undial. Aparte del efecto que los intereses m ilitares tenían en la escala, organización y prioridades de la física, tam bién es posible que influyera en el tipo de física que se in- vestigara y en la actitud de los físicos hacia su ciencia -« la naturaleza de lo que significa hacer ciencia», en palabras de Zacharias. Algunos historiadores de la ciencia han sugerido que había en este periodo una orientación general hacia los aspectos de ingeniería y física aplicada, justo el tipo de física en el cual estarían interesados los militares. El espíritu m ilitar se puede identificar incluso en la teoría esotérica, según argum entan, en la actitud pragm ática e instrum enta l hacia la física de altas energías que caracterizaba a m uchos teóricos estadounidenses. M ientras que la teorización prag- m ática no era un invento de la guerra, sino un hecho característico incluso en los años trein ta, se puede argum entar que la im plicación de los físicos en los proyectos militares reforzó una tendencia ya existente y la convirtió en una no rm a a escala m u nd i^h Sea cual sea la validación de la prem isa (la cual es difícil de especificar e incluso m^s difícil de probar), es u n hecho que los físicos norteam ericanos estaban bastante íntere- sados en aquellos cam pos de la ciencia que parecían de interés m ilitar, incluyendo elec- trónica, instrum entos, física nuclear y física del estado sólido. Es entendióle que esos cam pos se llevaran gran parte del pastel de los fondos federales. En 1953, p o r ejemplo, el 64 por 100 de los fondos federales para investigación básica no clasificada en departam entos universitarios de física fue destinado a la física nuclear, entendida de m anera am plia. La física del estado sólido recibió u n 10 po r 100, la investigación de rayos

Militarizaciún y megatendencias 291

cósmicos un 6 por 100, la física atóm ica 5 por 100 y la física de bajas tem peraturas un ا po r 100. (Véase tam bién la tabla 21.4 del capítulo 24.)

La breve descripción dada aquí se ha detenido exclusivam ente en el escenario estadounidense, donde ظ evolución histórica de la relación entre física y defensa ha sido objeto de m uchos estudios detallados. M ucho m enos trabajo histórico ha sido realizado a propósito de las relaciones correspondientes en Europa y en la U nión Soviética. No hay duda de que el caso am ericano era de particu lar im portancia, no sólo p o r ser una relación m ás cercana y de una dim ensión desconocida en Europa, sino tam bién porque Estados U nidos era el líder político, m ilitar y científico del m undo occidental. La relación entre los físicos y los m ilitares era tan cercana, o incluso más, en la U nión Soviética, pero se sabe m uy poco hasta ahora de la interacción entre los dos estam entos. Lo m ilitar desem peñó un papel im portan te en algunos países europeos, especialmente en Francia y en Inglaterra, pero su papel no llegaba ni de lejos a ser tan im portante com o el de los Estados Unidos. Y en algunos de los países europeos m ás pequeños, los m ilitares no desem peñaban papel alguno en la física.

Cualesquiera que fueran los roles atribuidos p o r las ftrerzas m ilitares en los sistemas científicos de Europa y de los Estados Unidos, las dos regiones dom inantes de la ciencia m undial evolucionaron de m anera bastante diferente du ran te la década siguiente a la finalización de la Segunda G uerra M undial. U na razón im portan te para explicar el retraso de la física europea era sim plem ente que las naciones europeas estaban más em pobrecidas que los Estados Unidos. C uando un físico nuclear estadounidense vis¡- tó las instalaciones de física italianas en 1950, no tó que éstas «están gravem ente em - pobrecidas p o r la falta de dinero para poder investigar y con salarios bajos para los fí- sicos». ?ara los lectores de Physics Today (Física Hoy), relató que el laboratorio de física de la Universidad de Rom a, orgullo de Italia, operaba con un presupuesto anual de20.000 dólares, «una sum a que podría parecer ridicula para cualquier universidad si- m ilar en Estados Unidos» (P T, enero 1951). A unque la diferencia en productiv idad y calidad entre los dos m undos de la física no eran debidas sólo a razones económicas: estaba tan to o más enraizado en las diferentes m entalidades, tradiciones culturales y en sistemas educativos. Esto fue reconocido de m anera clara po r un físico francés, André Guinier, después de regresar en 1947 de una visita de dos meses a unos laboratorios estadounidenses. En una com paración reveladora entre am bos países, hizo hincapié en que los físicos am ericanos se especializaban desde jóvenes, m ientras que los franceses «tenían un gusto por la no especialización» que les desfavorecía a la ho ra de producir resultados científicos. «El dilem a real es elegir entre tener u n conocim iento profirndo pero lim itado o tener un conocim iento m enos profundo pero am pliado a lo largo de varios aspectos», escribió. «Es en esta decisión en la cual los estadounidenses difieren de nosotros. N osotros siem pre consideram os la cu ltura general com o superior, ?ero a m enudo nos olvidam os de reconocer que eso es superficial». G uinier estaba im presionado p o r la atm ósfera inform al y cordial que observó en los laboratorios am ericanos y lo consideró com o u n a razón prim ordial para explicar el éxito de la física estadounidense: «Entre directores y trabajadores, las relaciones son m uy libres. El trabajador jo


ven llam a a su jefe po r su nom bre de pila [...] en este pun to uno no puede sino envi- diar el sistema estadounidense: es indispensable en el trabajo científico que la autori- dad no sólo provenga del rango sino de las capacidades. Esta atm ósfera hace posible el trabajo en equipo. Hay pocos artículos en las revistas am ericanas que no estén firm a- dos por dos o m ás nom bres. Existen trabajos recopilados por el con jun to de trabajadores de laboratorios grandes [...] Apenas ha habido similares in tentos de trabajo en equipo en Francia que se hayan coronado con éxito» (PT, mayo 1950).

Máquinas grandes

El dinero a lo grande no es condición suficiente, pero sí necesaria, para ظ «gran ciencia», por tan to no sorprende que la era de la gran ciencia en física coincidiera con el increm ento en las provisiones de fondos de las adm inistraciones. Sin em bargo, es im- portan te señalar que la gran ciencia no sólo es cuestión de tam año o dinero, y que tam - poco es puram ente u n fenóm eno posbélico. El observatorio de Tycho Brahe (1580), la m áquina electrostática de M artinus van M arum (1784) y el telescopio gigante de Earl de Rosse (1845) eran todos m uy grandes y ex traordinariam ente caros en relación con los presupuestos para investigación de sus épocas respectivas, ?ero eran excepciones, y no fue sino hasta la prim era m itad del siglo XX en que el equipam iento y los laborato- ríos de la g ran -p ro to -c؛encia em pezaron a influir en el curso de ظ ciencia. A nterior- m ente, hem os m encionado el laboratorio de bajas tem peraturas de K am erlingh © nnes en Leiden com o un ejemplo, y los ciclotrones de bawrence en los años trein ta del siglo XX

com o vanguardia de las instalaciones científicas de la gran física. Los grandes y caros ciclotrones necesitaban de una nueva organización de investigadores, un nuevo espíri- tu de trabajo. Las m áquinas dieron paso al trabajo en equipo y aum entaron la dem anda de fondos externos y facilitaron el paso hacia una nueva actitud de lo que constituye la ciencia con éxito. Estos cam bios en los contextos in ternos y externos de la ciencia, más que po r el cam bio de escala, convirtieron el sistem a de la gran ciencia en un fe- nóm eno im portan te . A unque la gran ciencia de la posguerra*estaba lejos de estar ؛؛mi- tada a la física -desem peñaba un papel de sim ilar im portancia en astronom ía, por e jem plo - se desarrolló con más espectacularidad en asociación con aceleradores y o tros instrum entos usados en física de altas energías. M ás que in ten tar describir el desarrollo por com pleto, lo ejeinphficarem os al m encionar unas pocas m áquinas y los laboratorios más destacados. El crecim iento en la energía de aceleración de haces hasta m ediados de los años ochenta y las num erosas familias de aceleradores se m uestran en la gráfica 20.2.

Los dos com plejos de investigación de aceleradores m ás im portan tes de la tem prana posguerra em ergieron com o consecuencia directa de los esfuerzos bélicos. El Labo- ra torio N acional Brookhaven (BNL), que sobre todo da servicio a universidades del noreste de los Estados U nidos, fue equipado con varios aceleradores, siendo el más potente el C osm otrón. Este sincro trón de protones de 3 GeV se basó en el concepto de la estabilidad de fase que describió Edwin M cM illan en 1945, y que fue sugerida de ma-


о

Anillo de almacenamiento de protones (energía equivalente)

Enfoque débil de sincrotrón protónico

Generador electrostático

Linac electrónico

Sincrociclotrón

Linac protónico

Enfoque débil de sincrotrón electrónico

Betatrón

٠''' Ciclotrón de enfoque por sectoresCiclotrón

G enerador rectificador

.000 TeV

100 TeV

10 TeV

1 TeV

100 GeV

lO G eV

1 GeV

100 MeV

lO M eV

1 MeV

w٥Л، Щгу؛

11LÜ>؛

¥M

JJ_100 KeV1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990

Gráfico 20.2. Crecimiento de energía de haces de acelerador con el tiempo, 1930-1984. Fuente: Reproducido con permiso de Physics Through the 1990s: Elementary-Particle Physics. © 1986 por National Academy of Sciences, cortesía de National Academy Press, Washington, D.C.

ñera independiente p o r V ladim ir Veksler en la U nión Soviética. El o tro centro de aceleradores más im portan te estaba en la Costa Oeste, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California, m ás tarde conocido com o el Laboratorio de Radiación Lawrence (LRL). Allí se construyó u n sincro trón aun m ás potente, el Bevatrón de 9 m i


llones de dólares, que en 1954 aceleró protones hasta una energía de 6,2 GeV. El Cos- m o tró n y el Bevatrón dom inaron las prim eras fases de la física de altas energías apo- yadas en la aceleración, p rom oviendo im portan tes descubrim ientos, com o la produc- ción en parejas de partículas extrañas en 1953 y el an tlp ro tón en 1955. Sincrotrones convencionales más potentes que estas m áquinas serían prohibitivos p o r su precio, pero u n nuevo tipo de acelerador, la m áquina de gradiente alternante, se m ostró com o un m erecido sucesor. E1AGS Brookhaven (A lternating G radient Synchrotron) de 1960 usaba un principio llam ado de enfoque fuerte y se convirtió en el siguiente acelerador estadounidense altam ente exitoso. Fue alcanzado p o r el sincrotrón de pro tones (PS) diseñado independientem ente p o r el CERN, siendo una m áquina de 30 m illones de dólares com pletada en 1959 que podía acelerar p ro tones a 28 GeV. Un acelerador de protones aun m ás potente se construyó en el centro Serpukhov en Rusia. Con una energia de 76 GeV en sus com ienzos de 1971 fue, du ran te un breve periodo, el mayor acelerador del m undo.

En 1957, los físicos de Stanford propusieron al AEC, al D O D y a la NSF constru ir u n nuevo acelerador lineal de partículas, un desarrollo u lterior de u n tipo de acelerado r lineal (o «linac») ya operativo en Stanford. La m áquina propuesta era más que la continuación de u n program a existente, era un paso hacia un nuevo rango de la gran ciencia. El acelerador, en su época el m ayor instrum ento científico de la historia, iba a tener 3,2 km de largo, y su coste de construcción se estim ó en 78 m illones de dólares. Si no hubiera sido p o r el im pacto del sputnik, puede que no se hubiera continuado con el proyecto, que sólo tenía justificación po r su valor en la física de alta energía. Eísen- how er quería dem ostrar la fherza científica estadounidense y en una charla de 1959 precisam ente denom inada «La ciencia, sierva de la libertad» dio apoyo al proyecto y decidió pedir al Congreso hasta 100 m illones de dólares para llevarlo a cabo. El camino p o r el Congreso fue de todo m enos fácil, y a m uchos les parecía, tan to a políticos com o a científicos, que el proyecto era sim plem ente dem asiado costoso com o para am ortizarlo sólo p o r sus m éritos científicos. «¿Cuál será el resultado práctico de este acelerador?», p reguntó u n congresista. «¿Cuáles son las proyecciones de po n er en uso el conocim iento que obtendrem os del acelerador en un uso práctico? ¿De qué m odo subirá el nivel de vida de nuestra gente?» (W ang 1995, p. 354). La respuesta sin duda fue que el SLAC -S tan fo rd Linear Accelerator C enter (C entro de Aceleración Lineal de S tan fo rd )- no aum entaría el nivel de vida. Sin em bargo la p ropuesta se aprobó consiguiendo en 1961 114 m illones de dólares, firm ándose u n con trato el año siguiente entre Stanford y el AEC. Bajo el m ando de ^ôlfgang Panofsky, el SLAC estaba listo y operativo en 1966. Incluso aunque el centro de aceleración no aum entara el nivel de vida de la m ayoría de los estadounidenses, consiguió obtener un éxito trem endo desde un pu n to de vista científico. C om o verem os en los dos siguientes capítulos, el SLAC fue de u n a im portancia crucial para la nueva física de altas energías de la década de 1970.

Los planes para constru ir un acelerador estadounidense aun m ás poten te que el Be- vatrón , el AGS Brookhaven y el S incrotrón Serpukhov, em pezaron al princip io de los años sesenta. Iba a ser, com o casi todos los aceleradores, financiado p o r el AEC, una


institución que en 1964 gastó 135 m illones en física de altas energías, Por ser un gasto >m precedentes el de la nueva m áquina, sólo se podía constru ir una, lo cual provocó grandes controversias entre los grupos en Berkeley y Brookhaven. Después de m ucha discusión de dónde localizar el centro norteam ericano de aceleración del futuro. Bata- via, en Illinois, ganó a Berkeley y Brookhaven. En 1967, el presidente Johnson firm ó la propuesta de ley para el Laboratorio del Acelerador N acional, o Fermilab (FNAL), pro- vecto de 250 m illones de dólares alrededor de u n acelerador de 200 GeV. Bajo el liderazgo de Robect W ilson, p rim er director del Fermilab, este inm enso proyecto fue com - pletado en 1972. En cuestión de meses, W ilson forzó al acelerador a p roducir un haz de protones de 400 GeV, que era con diferencia la m ayor energía producida en un laboratorio . Pero esto no era todo. El m étodo de alm acenam iento de rayos en órbitas fi- i as para posteriorm ente hacerlas colisionar fue realizado p o r prim era vez en 59وا con rayos electrón-electrón (Stanford) y en 1963 con rayos de e lectrón-positrón (Orsay, zona de Farís). C olisionadores electrón-positrón ulteriores y con m ás potencia y de gran valor científico, fueron constru idos en el SLAC en 1972 (llam ado el SPEAR) y en el CERN en 1989 (llam ado el LEP). El acróninro LEP es p o r Large Electron Positron CO-

llider, o G ran C olisionador E lectrón-positrón , y con su anillo de 27 kilóm etros de largo, sin duda era una m áquina grande. Los colisionadores p ro tó n -an tip ro tó n se ،iesa- rrollaron en paralelo con los de e lectrón-positrón y condujeron hasta el colisionador SPS (Super Proton Synchrotron) del CERN con el cual se podía ob tener una energía de 500 GeV. La respuesta am ericana fue el Tevatrón del Fermilab, que em pezó a operar en 1985, haciendo uso avanzado de im anes superconductores para em pujar los protones a lo largo de su anillo de 6,3 kilóm etros. El nom bre de la m áqu ina se refería a su má- xim a energía de u n teraelectronvoltio, I TeV = 1.000 GeV. En 1987 los japoneses se un ieron a la carrera hacia energías mayores con el colisionador TRISTAN, un colisionador e lectrón-positrón con rayos de hasta 30 GeV constru ido en el L aboratorio Na- cional de Física de Altas Energías (KEK) cerca de Tokio. La tabla 20.1 resum e la evoiu- ción de los aceleradores entre 1946 y 1985.

M uchos físicos sintieron, y seguram ente todavía sientan, que una instalación verdaderam ente in ternacional de aceleración de partículas sería la elección más racional, en un cam po que es, después, de todo internacional. ¿Por qué no evitar la ridicula y costosa com petitividad entre naciones y trabajar juntos? La idea de un «acelerador m undial para la paz m undial» se debatió por prim era vez entre físicos ' ses, soviéticos y europeos. La idea -d e constru ir un acelerador internacional de I TeV con u n coste de unos mil m illones de ،!(')lares- presuponía que fuera a liderar no sólo grandes resultados científicos sino tam bién, y no era m enos im portan te , crear u n cli- m a de paz. Según R obert W ilson, uno de los físicos destacados detrás de la idea del acelerador m undial, «la mayor fuerza de tal laboratorio in ternacional será la de desarrollar nuestra cu ltura com ún en la ciencia física [...] partículas, aceleradores y la sociedad podría in teraccionar de nuevo -e s ta vez para proveer de u n a fuerza para la arm onía internacional-» (Kolb y H oddeson 1993, p. 106). El laboratorio m undial siguió siendo discutido duran te varios años y en los setenta la idea fue actualizada hacia una m áqui-


TABLA 20.1El auge de la gran ciencia en la física de altas energías

N ه ؛ما،ا om bre Localidad Energía (GeV) A ño depuesta en marcha

Sincrociclotrón Berkeley 0,35 1946

C osm otrón BNL 3 1952

B evatrón Berkeley 6,2 1954

Sincro trón de protones D ubna (URSS) 10 1957

PS € £ R N 7-8 1959

AGS BNL 33 1960

Sincro trón de protones Serpukhov 76 1971

Sincro trón de p ro tones FNAL 400 1972

SPS C £R N 400 1976

Tevatrón FNAL 1.000 1985

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

na de 10 TeV. Era la idea favorita entre m uchos físicos que querían com binar objetivos científicos que m erecieran la pena con objetivos im portan tes en política y ética. Pero esta idea rom ántica nunca pasó del nivel del debate y, a pesar de toda ط retórica poli- tica sobre el in ternacionalism o en la ciencia, no fue realista.

S intiendo que la iniciativa en física de altas energías estaba encam inada a ser do- m inada p o r Europa, los físicos estadounidenses sugirieron en 1983 constru ir la insta- lación definitiva en aceleración basada en un s s c , " "(Superconducting Supercollider). L lam am ientos de sentim iento nacionalista estaban entre los argum entos de los físicos de altas energías que estaban a favor del s s c . Shel- don Glashow y León Lederm an, dos de los físicos de partículas m ás destacados, argu- m entaban de ط siguiente m anera: «Cada vez más, los logros am ericanos o bien se quedan en el presente perfecto u oscilan hacia el fu turo condicional, m ientras que los europeos persiguen el presente de indicativo [...] N uestra preocupación es que sí deja- m os pasar la opo rtu n id ad que el s s c ofrece para los años noventa, la pérd ida será no sólo en nuestra ciencia, sino tam bién en el hecho m ás am plio del orgullo nacional y la confianza en nuestra propia tecnología» (PT, m arzo 1985, p. 34). La denom inación de s s c no era exagerada: con u n a energía de colisión de protones de unos 40 TeV (ó40.000 GeV), y u n anillo subterráneo de 83 km de circunferencia, iba a ser realm ente una superm áquina; el sistem a superconductor m agnético planeado incluía 41.500 toneladas de h ierro y 2 m illones de litros de helio liquido. Los gastos, estim ados en 1990 en unos 10 m il m illones de dólares, tam bién iban a ser súper. Iba a ser la instalación m ayor y más cara constru ida jam ás. El proyecto gigante estaba apoyado p o r el presidente Reagan y en 1988 se anunció su localización en W axahachie, pequeña localidad de Texas. Tam bién al siguiente presidente, el tejano George Bush, le gustaba el proyec

Militarización مر megatendencias 297

to, al cual com paró - e n un raro ejercicio de inspiración po é tica - com o «el Louvre, las pirám ides y las cataratas del Niágara todas en uno» (Kevles 997 ل, p. 292).

Existían buenas razones c'؛c n t؛fica$ para constru ir el ssc, pero para una inversión de tales dim ensiones, las razones cicntíficas no bastaban. Entre otras razones aducidas por los propulsores del ssc se usó la sugerencia engañosa de que el trabajo con im a- nes superconductores podría ayudar al desarrollo de técnicas m édicas que podrían probarse útiles en la lucha contra el cáncer. C om o en algunos casos anteriores de proyectos de grandes de aceleradores, la oposición al ssc no venía sólo de entre los poli- ticos, sino tam bién entre físicos y otros científicos que argum entaban que la física de altas energías estaba sobre-subvencionada y que se obtienen unos beneficios m ucho mayores, tan to científicos com o tecnológicos, al invertir más dinero en otros cam pos de la ciencia. Uno de los críticos fue ?h ilip A nderson, el teórico del estado sólido y posteriorm ente prem io Nobel, que ya en 1971, sugirió que «la tarta es finita y lo que es “p ro” altas energías es “an ti” otros, por lo que es obvio ahora que si querem os m antener una ciencia saludable, debem os lanzar una m irada crítica a todas sus divisiones». A nderson no sólo expresó dudas hacia los esperados resultados derivados supuestos de la física de altas energías, sino que tam bién objetaba a «la justificación intelectual de fí- sica de partículas elem entales com o la única dirección en la cual las verdades “real- m ente fundam entales” o “intensivas” han ser descubiertas» (A nderson 1971). Veinte años m ás tarde, A nderson reforzó su crítica contra el proyecto ssc. N aturalm ente sus argum entos fueron atacados p o r los defensores del ssc, incluyendo a León Lederm an, Steven W einberg y otros popes de la com unidad de físicos de altas energías. El trabajo alrededor del ssc continuó po r un tiem po, pero en 1992 el proyecto se encontró con m uy serias dificultades. Al final fue rechazado en ل99ت después de haber gastado casi dos m il m illones de dólares. La razón del rechazo fue tan to política com o económ ica. Diez mil m illones de dólares era, después de todo, una cantidad asom brosa de dinero para gastar en satisfacer la curiosidad de un pequeño grupo de físicos de altas energías. Bajo distintas condiciones políticas, el proyecto podría haber sido aceptado, sobre todo si se hubiera relacionado con cuestiones de seguridad nacional, ?ero no se conectó con ningún valor m ilitar en particu lar y, en cualquier caso, era m ala época para el proyec- to: en 1992, la G uerra Fría había term inado y la U nión Soviética ya no existía.

Uno de los efectos del nuevo tipo de gran ciencia que floreció en los años cincuenta file un cam bio destacado del papel del físico, partiendo de ser un investigador individual a ser una pequeña rueda en un esfiierzo de investigación conjunto . El físico ya no investigaba para él m ism o, sino que participaba en un proyecto de investigación. Fue u n salto que m uchos físicos de la vieja escuela odiaron. U no de ellos era ?ercy Bridgm an, p rem io N obel y filósofo de la ciencia que argüyó que el nuevo estilo de fí- sica iba en detrim ento de las ideas creativas y de la libertad intelectual. Dos décadas después, ésta sería u n a crítica repetida y reforzada po r una generación m ás joven de fí- sicos. Bridgm an atribuyó este estilo a la estructu ra de investigación creada duran te la guerra, cuando los jóvenes científicos que «nunca habían experim entado el trabajo independiente y no sabían lo que era» se un ieron a los grandes proyectos de investiga


ción. «El resultado», escribió Bridgm an, «es que está creeiendo una generación de físi- eos que nunca han ejercitado n ingún grado específico de iniciativa individual, que no han tenido la opo rtu n id ad de experim entar sus satisfacciones o sus posibilidades, y que consideran el trabajo cooperativo en grandes equipos com o lo norm al [...] El tem pe- ram ento de la geHeración em ergente es reconociblem ente diferente de aquél de ظ anterior» (Bridgm an ]950, p. 299). La gran ciencia abrigaba, y p o r tam o dem andaba, un espíritu cooperativo así com o corporativo desconocido en los años veinte, cuando Bridgm an realizó sus trabajos más im portantes.

No sólo había poco espacio para el individualism o en los experim entos a gran escala, sino que los instrum entos más caros tam bién parecía que tenían vida propia, y se convirtieron en más im portantes que los físicos que trabajaban con ellos. ¿Fueron las má- quinas m onstruos creados por físicos Frankenstein? La relación cam biada entre físicos y m áquinas fue enunciada sin intencionalidad por el director del C osm otrón Brookhaven, Samuel G oudsm it (que, com o Bridgman, era un prem io Nobel que inició su carrera en los años veinte). En un m em orando in terno de 1956, G oudsm it enfatizó, «en esta nueva form a de trabajo experim ental las habilidades deben ser com plem entadas po r rasgos de personalidad que realcen y alim enten ظ m uy necesitada lealtad cooperativa», pros؛- guiendo, «siendo un gran privilegio trabajar con el C osm otrón, siento ahora que debe- m os negar su uso a cualquiera cuya estructura em ocional pueda ir en detrim ento del es- p íritu cooperativo, no im porta cóm o de bueno sea com o físico... Me reservo el derecho de negar el trabajo experim ental en altas energías a cualquier m iem bro de m i personal que piense que no esté capacitado para la colaboración en el grupo. Debo recordarle que después de todo, no es usted sino la m áquina la que crea las partículas y hechos que está usted investigando con tan ta pasión» (Fieilbron 1992, p. 44). Los peligros - y quizá ظ esencia de la física de la gran ciencia- no se pudo expresar de m anera más afinada.

Una avenara europea de gran ciencia

A lrededor de 1950, cuando ظ física nuclear y de partículas em pezaron a verse do- m inadas p o r los aceleradores, Europa se m anten ía en una posición m uy po r detrás de los Estados Unidos. En esa época, las prim eras iniciativas para organizar u n proyecto de investigación conjunta europea tom ó cuerpo con el físico francés Pierre Auger y el italiano Edoardo Am aldi entre los prim eros. El resultado de num erosas y difíciles negociaciones fue el nacim iento provisional del CERN (Consell Européen p o u r le Re- cherche de Nucléaire) en 1952 y el establecim iento de una organización perm anente en 1954. La iniciativa era m a u r ita n a m e n te francesa e italiana, m ientras que la respuesta de la principal nación europea en ciencia. Reino Unido, fue tibia. Los británicos tenían su p ropio acelerador, u n sincro trón de 400 M eV en Liverpool, y no tenían confianza en el grandioso p lan continental, el cual fue descrito p o r Blackett com o «bastan te loco». Además, no había interés en Inglaterra p o r la cooperación europea, y m e- nos aún po r la un idad europea. Al principio , el gobierno británico declinó partic ipar y sólo se unió por com pleto en 1954. A lem ania, o m ás bien la nueva República Federal


Alemana, presentaba o tro problem a político, entre otros m otivos porque todavía no era m iem bro de la UNESCO. La fundación del CERN se veía no sólo com o un proyecto científico, sino tam bién com o un proyecto político, fundam entalm ente un m odelo para la cooperación europea. Para Heisenberg y otros físicos alemanes, adem ás era una m anera de rehabilitar a los físicos alemanes después de la guerra y de olvidar el pasado nazi. En 1956, las naciones del CERN incluían a Bélgica, D inam arca, A lem ania Occidental, Francia, Grecia, Italia, Países Bajos, Noruega, Suecia, Suiza, Inglaterra y Yugoslavia. Las mayores contribuciones venían de Francia y de Inglaterra (un 24 po r 100 aproxim ado cada uno), seguidos de A lem ania e Italia (18 y 10 por 100 respectivam ente).

El propósito del CERN era «dotar de colaboración entre Estados europeos en in vestigación nuclear de carácter puram ente científico y fundam ental y en la investigación esencialm ente relacionada con ella». La espina dorsal de la colaboración estaba planeada que fuera el m ayor acelerador del m undo, el cual en 1954 significaba uno con más de 6 GeV de potencia. Se m encionaba específicam ente que «la organización no estará preocupada por trabajos para requerim ientos m ilitares y los resultados de su experim entación y sus trabajos teóricos serán publicados o, de o tro m odo, hechos accesibles en general». Desde luego, una de las mayores diferencias entre la física de altas energías y en general los proyectos de la g ran ciencia, eran los m uy distintos roles ju gados p o r las fuerzas arm adas. Desde luego, una de las razones para la indiferencia con la cual las estructuras m ilitares europeas m iraban al CERN era que no había una m ilicia europea. Las diferentes fuerzas arm adas de Europa no tenían ninguna trad ición de apoyo a gran escala de la ciencia básica, y n ingún interés en una organización m ultinacional com o el CERN. Para subrayar el proyecto del CERN com o no m ilitar y apolítico, se decidió no incluir n ingún reactor nuclear y situar el laboratorio cerca de G inebra, en la neutral Suiza. En la prim era fase del proyecto, se consideró Copenhague, pero Bohr y Kram ers, sus principales activos, no lo consiguieron.

El prim er proyecto principal, el sincro trón de protones, se pensó en origen com o una versión extrapolada del C osm otrón Brookhaven. En 1954, se planeó tener una energía de unos 30 GeV y su coste estaba estim ado en 16 m illones de dólares, alrededo r de la m itad del coste real. La m áquina se com pletó de acuerdo a su planificación y duran te los años sesenta el laboratorio se expandió con nuevos y más grandes aceleradores y sistemas de detección. Era u n proyecto de gran ciencia desde su p ropio com ienzo y creció m ás y más. Por ejemplo, en 1955, el presupuesto era de 64 m illones de francos suizos (MSF) o unos 16 m illones de dólares, y el personal consistía en 144 p ersonas. Diez años m ás tarde, el presupuesto se increm entó a 275 MSF y el personal a 2.251 personas y, en 1975, el presupuesto era de 844 MSF, el personal de 3.788 personas. Además, el núm ero de científicos visitantes se increm entó sostenidam ente desde 21 en 1955, 315 en 1965 y 1.289 en 1975. El personal adm inistrativo y técnico se in crem entó aun m ás rápido que el núm ero de científicos (véase tabla 20.2).

A unque el proyecto conjunto europeo fue un éxito en m uchos sentidos, al p rinc ipio no lograba re tar seriam ente el liderazgo am ericano en física de altas energías. La m ayoría de las veces, los laboratorios de aceleradores estadounidenses eran los p rim e


ros en sacar a la luz im portan tes descubrim ientos que típicam ente se veían confirm a- dos por los europeos en un corto lapso de tiem po. Los prim eros diez o quince años fireron esencialm ente u n periodo de aprendizaje para los físicos del CERN, la m ayoría de los cuales no estaban acostum brados a realizar experim entos de gran ciencia a la am ericana. En los Estados U nidos, los experim entos de aceleradores a gran escala, el espíritu em prendedor y la cercana cooperación entre experim entadores, teóricos, ad- m inistradores e industria ya existían desde los años tre in ta y esa trad ición se reforzó sobre todo p o r los proyectos m ilitares duran te la guerra. C uando los físicos europeos aprendieron por p rim era vez los nuevos m étodos de hacer y de organizar la física, el CERN se convirtió en una institución com petitiva con los m ejores laboratorios ame- ricanos. Sin duda, después de unos tre in ta años de dom inación masiva am ericana en física de partículas, al final de los años setenta, el equilibrio de poder cam bió y los laboratorios de física de altas energías em pezaron a tom ar el relevo (gráfico 20.3). El cam bio ha sido docum entado a través de datos bibliom étricos. ?٠٢ ejemplo, m ientras que el 53 po r 100 de todas las publicaciones de física experim ental de altas energías se orig inaron en los laboratorios de los Estados U nidos en 1970 y sólo el 36 por 100 en Europa, en 1982, los núm eros eran del 35 p o r 100 en Estados U nidos y el 56 p o r 100 en Europa. Los datos correspondientes para el núm ero m edio de citas po r artículo científico eran de 3,3 (EEUU) y 2,9 (Europa) en 1970, y de 3,0 (EEUU) y 3,9 (Europa) en 1982. Los principales com petidores duran te los años setenta eran el Fermilab y el CERN. M ientras que el Ferm ilab se ganaba casi la cuarta parte de todas las citas en fí- sica experim ental de altas energías en el periodo 1973-1976, el porcentaje cayó al 9,3 p or 100 duran te 1981-1984. D urante el ú ltim o periodo de cinco años más del 15 por 100 de las citas eran sobre artículos originados en el p rogram a SFS del CERN. En 1984, el núm ero m edio de citas de artículos originados en el colisionador del CERN era de 24, u n núm ero m uy alto, lo cual indica u n valor científico elevado.

Al final de 1997, cuatro años antes del deceso del s sc , los Estados U nidos llegaron a u n acuerdo con el CERN para partic ipar en la construcción y uso del fu tu ro gran colisionador de hadrones, Large Hadron Collider (LHC) y sus detectores de partículas asociadas. Los am ericanos estuvieron de acuerdo en con tribu ir con 531 m illones de

TABLA 20.2 D istribución del personal del CERN

Categoría 1955 1960 1965

Científicos e ingenieros 83 170 349

Técnicos 102 527 604

Personal auxiliar 35 241 87ا

Personal adm in istra tivo 49 127 316

M iem bros visitantes 18 71 73

Nota: Basado en datos de Hermann et al., pp. 396-398.


dólares. El LHC, previsto para operar en 2005, tiene un coste estim ado de 6.000 m illones de dólares y será el acelerador más potente del m undo. La últim a fase de la h isto ria de la física de aceleradores dem uestra que el centro de la física de altas energías se ha trasladado definitivam ente a Europa. Tam bién dem uestra que la gran física de p a rtículas in ternacional no feneció a la vez que el proyecto SSC. A unque sea un proyecto europeo, el LHC no está confinado a los países m iem bros del CERN, sino que arrastra una cooperación de cuarenta y cinco países diferentes. En algún sentido, es la puesta en m archa del viejo sueño de un «acelerador m undial».

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

C AP ÍTU LO 21

Descubrimientos de partículas

Principalmente mesenes

En 1948, la física de partículas elem entales no exi$tía todavía com o disciplina, y el tér- m ino de física de altas energías no había en trado en el vocabulario de los físicos. El estud io de los nucleones, m esones y o tras partículas elem entales era visto com o parte de la física nuclear y las actividades del cam po eran enm arcadas a m enudo en nuevos laboratorios e institu tos dedicados a los «estudios nucleares». C on el reconocim iento en 1947 de que el mesón-TT de Yukawa era m uy d istin to del m esón-[i del rayo cósmico, todo estaba dispuesto para la investigación de partículas aun m ás novedosas, y final- m ente para la em ergencia de una subdisciplina científica m adura de la física de partí- culas. En su m onografía de 1949, Teoría del núcleo atómico y fuentes de energía nuclear (Theory o f A tom ic Nucleus and Nuclear Energy Sources), George G am ow y Charles Critchfield sugirieron «un nexo conveniente, incluso a pesar de no estar definido con m ucha precisión, entre \a física nuclear genuina y la siguiente, aunque todavía bastante inexplorada, división de la ciencia de m ateriales, que podría denom inarse en principio hifisica de las partículas elementales» (en cursiva en el original). M ientras que en los ocho prim eras conferencias anuales de Rochester, desde 1950 a 1957, tra taban tan- to de la física de m esones com o de la física nuclear de altas energías, su continuación en G inebra en ¡958 dejó caer lo «nuclear» y se convirtió en u n a conferencia sobre «fí- sica de altas energías». En aquella época, existía una necesidad de m ayor " internacional, de las num erosas conferencias sobre física de altas energía. La Asamblea G eneral de la 1UPAP en 1957 estableció la C om isión de Física de Altas Energías. En la p rim era com isión estaban Robert M arshak y Wolfgang Panofsky de Estados Unidos, Cornelis Bakker y Rudolf Peierls de Europa e Igor Tam m y V ladim ir Vekslar de la U nión Soviética.

En los prim eros años cincuenta, una confianza creciente en el instrum ental com - plicado, potente, sofisticado y caro precipitó la transform ación del subcam po en la

□ cubrim ien tos de partíeulas 303

gran ciencia de la física de altas energías. El subeamp© se caracterizó e n se g u id a , com o se describe en el capítulo 20, p o r las enorm es subvenciones gubernam entales y las CO- la b o ra c io n e s que m uchas veces afectaban a docenas de investigadores. En 1950, cuando el núm ero de partículas y antipartículas elem entales detectadas y predichas se m an- tenía en unas veinte, la radiación cósm ica era aún la principal ؛d en te de partículas, pero unos pocos aúo؛> después, la nueva generación de a c e le ra d o re s y detectores cam- bió la situación de m odo significativo. La prim era partícula que fue descubierta artlfi- cialm ente, producida en un acelerador en vez de ser encontrada en la naturaleza, fue el p ión neutro . La existencia de una m esón Yukawa había sido propuesta ya en 1938 por el físico germ anobritánico Nicholas Kemmer, y en 1947 O ppenheim er sugirió que la partícula h ipotética se desintegraría m uy rápidam ente en dos rayos gam m a. La partí- cula se detectó po r prim era vez en el sincrotrón de Berkeley en 1950 y fue identificada po r la conversión de rayos gam m a en pares de electrones (tt° —» y y seguido de y —> e+ Poco tiem (■ ج po después, los físicos británicos encon traron la partícula en la radiación cósmica. (Desde u n p u n to de vista más filosófico, no es obvio en qué m om ento un (٦١١- jeto pertenece a la naturaleza y cuándo es producido artificialm ente. Se puede argu- m en tar que el electrón que aparece en el tubo de rayos catódico de ١. ١ . T hom son fue la prim era partícula elem ental producida.)

La prim era evidencia de un m esón pesado se com unicó antes del descubrim iento del pión. En 1944, los físicos franceses Louis Leprince-R inguet y M ichel l’H eritier pu- b licaron en Comptes Rendus u n artículo sobre la «Posible existencia de una partícula de m asa 990 m o en la radiación cósmica», posiblem ente lo que se llam ó posteriorm ente un m esón k o kaón. En cualquier caso, no llam ó m ucho la atención este evento p o r sí solo, y los franceses no fueron reconocidos com o sus descubridores. Después de la guerra, los m esones pesados fueron descubiertos po r prim era vez por dos físicos de M anchester, (^llt'ford Butler y (íeorge Rochester, quienes en octubre de 1946 -a lred ed o r de un año antes de descubrirse el p ió n -, encon traron u n proceso en form a de V en la ra- diación cósm ica en su cám ara de niebla. Lo in terp retaron com o resultado de la desin- tegración de una partícula neu tra pesada, © tro proceso V obtenido a partir una partí- cula cargada fue detectado en 1947, pero no fue hasta 1950 cuando los descubrim ientos ftreron confirm ados po r más observaciones. Lstas fueron realizadas po r Cari Anderson en Caltech, que obtuvo num erosos procesos V. En 1952, las partículas ٧ estaban firm e- m ente norm alizadas y se reconocía que las había de cuatro tipos. Robert T hom pson, de la Universidad de Indiana, m ostró las partículas neu tras com o desintegrables enpTT- ó TI- n"\ llam ándolas A y 0, respectivam ente (o ٧١ y V p . Se encon traron m uchas más desintegraciones, algunas de ellas sospechosas de pertenecer a partículas no conocidas hasta entonces. Para poder com parar las distintas observaciones, de term inar el núm e- ro de partículas com paradas con las desintegraciones y estandarizar la nom enclatura, se organizaron conferencias en Estados U nidos y en Europa. En una reunión en Fran- cia en 1953, el Congreso In ternacional de Radiación C ósm ica sugirió dividir las partí- culas extrañas en grupos, p o r un lado los m esones K o pesados con m asa m enor que el nucleón y po r o tro los hiperones con m asa m ayor que el nucleón pero más pequeña


TABLA 21.1.Partículas extrañas com o eran conocidas sobre 1957

Clase Símbolo(s) Masa ( m j Tiempo de vida (segundos)

Extrañeza

M esones K K + 9 6 6 ,5 1,2 x ΙΟ'8 + 1

K- 9 6 6 ,5 1؛؛ 0 1,2 x -1K° 9 6 5 ~ 1 0 10 (+1)K°2 9 6 5 ~ 10-7 (+1)

H iperones A)؟ (V 2.182 3 - 1 0 10 -1z +( v p 2 .3 2 7 0 ,7 X 1 0 10 -1Z-(V j) 2 .3 4 3 1,5 X 1 0 10 -1

Σ° 2 .3 2 5 < 10 10 -1٠٠̂ — 2 .5 8 5 ~ 2 X 1 0 10 - 2

que el deuterón. Los m esones L o ligeros incluían piones y m uones. La tabla 21.1 resum e las nuevas partículas tal com o se conocían en 1957. En ese año, todo lo relativo al núm ero y clasificación de las partículas estaba evolucionando y algunas partículas iguales tenían varios nom bres y símbolos.

M ientras que la m ayoría de las nuevas partículas «extrañas», com o se denom inaron después, estaban identificadas originalm ente con la radiación cósmica, a p a rtir de 1953 los grandes aceleradores iban dom inando in crescendo el cam po; y m ientras que los descubrim ientos pioneros habían sido realizados p o r físicos franceses y británicos, a p artir de esa época, el cam po lo dom inaron los científicos estadounidenses. El Cos- m o tró n de 3 GeV en el Laboratorio N acional de Brookhaven em pezó a p roducir haces de piones en 1953, y en 1954 el Bevatrón en el Laboratorio de Radiación en Berkeley p rodu jo rayos de hasta 6 GeV. Los aceleradores anunciaron una nueva era en la joven ciencia de la física de altas energías.

No m enos im portan te que los aceleradores fueron los nuevos m étodos in troducidos para detectar procesos de interacción entre partículas. En la prim era fase de la física de altas energías, la cám ara de niebla fue el detector preferido, la cual fue desarrollada en los prim eros años cincuenta en varias versiones especiales, adecuadas para experim entos en aceleradores (alta presión 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 étodo de la em ulsión nuclear fue desarrollado en los años trein ta, en concreto po r la física n u clear vienesa M arietta Blau, pero no fue sino después de la guerra cuando este m étodo resultó ser de im portancia decisiva en física de partículas. Esto fue el resultado de la cooperación entre los físicos de rayos cósmicos británicos e Illford, Ltd.

Los m étodos tradicionales, de bajo coste, com o las cám aras de niebla y las em ulsiones, fueron suplidos y reem plazados p o r la técnica de la cám ara de burbujas inventada po r D onald Glaser en la U niversidad de M ichigan en 1952. La invención de Gla- ser se convirtió p ron to en un in strum ento versátil, en concreto p o r Luis Alvarez y su

Descubrimientos de partículas 305

grupo de Berkeley. Las cám aras de burbujas con hidrógeno líquido com o fluido de trabajo se dem ostraron Idóneas para su uso con aceleradores y ؛ueron usadas de m anera general a p a rtir del final de la década de 1950. D iferían de los sistemas de detección no sólo en su técnica, sino tam bién en su tam año, coste y com plicado m anejo; eran un tipo de detector que los pequeños laboratorios ni pod rían perm itirse n i hacer m ucho uso de él; en otras palabras, un detector «no dem ocrático». La cám ara de burbujas de h idrógeno de 183 cm de AJvarez de 1959 costó 2 m illones de dólares, y necesitaba de un o rdenador de un m illón de dólares para analizar los datos. Ya en el año 1957, se construyó la prim era m áquina lectora que podía seguir y m edir trazas de m anera autom ática. Fue desarrollada p o r Jack Franck, un ingeniero de Berkeley, y apodada acertadam ente com o «Lranckenstein». Las fotografías de cám aras de burbujas se convirtieron en una pequeña industria. Se estim ó que en 1967 unos dos m illones de eventos de cám aras de burbujas eran m edidos cada año. En el experim ento de 1964, que sirvió para descubrir el h iperón Q - (véase a continuación), unas 100.000 fotos fueron tom a- das y parcialm ente analizadas.

M uy poco después del descubrim iento de las prim eras partículas pesadas, los físi- eos em pezaron a preguntarse cóm o entenderlas de m anera teórica, lo cual significaba clasificarlas inicialm ente en familias. Un problem a m uy discutido fue el de la relación entre la producción y la desintegración de las nuevas partículas, indicando que estaban in teractuando de m anera fuerte, pero ten ían tiem pos de vida que no coincidían con desintegraciones fuertes. D ebido a esta conducta desconcertante, se denom inaba a estas partículas com o «extrañas». En 1951, Abraham Fais, e independientem ente un grupo de físicos japoneses, sugirieron la idea de u n a producción asociada, la cual im plicaba que las partículas visólo se podrían p roducir en parejas. Pais presentó un tipo de núm ero cuántico, análogo a la paridad, para explicar las desintegraciones observadas y no observadas. El núm ero cuántico de Fais era m ultiplicativo y funcionaba com o una regla de selección, no siendo d istin to a los núm eros cuánticos presentados en la pri- m igenia teoría cuántica con el objetivo de encontrarle una lógica a los espectros ópti- COS. Su propósito era actuar com o un principio de ordenación a través de la colección de nuevas partículas en grupos o familias. En su artículo de 1951, Pais m encionó que «la búsqueda de los princip ios ordenantes en este m om ento puede al final ser asimila- da al in ten to de u n quím ico de constru ir la tabla periódica si sólo tenem os una docena de elem entos sin relación entre sí» (Pais 1986, p. 519). Pudo haber sido la prim era vez, pero desde luego no ha sido la últim a en la que las reglas de una clasificación en particu lar han sido descritas com o análogas al sistema quím ico de Mendeleiev. A pesar de la popularidad de la analogía, ésta estaba fundam entalm ente equivocada. Los fí- sicos de partículas no estaban sólo m etidos en un juego de o rdenar partículas, tam bién querían entenderlas com o m anifestaciones de unas pocas partículas de verdad fúnda- m 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 Mendeleiev. El quím ico rus،) planeó su fam osa tabla periódica de m anera puram ente em pírica, com o una clasificación racional de las p ro


piedades fisicoquím icas conocidas de los elem entos. Al contrario que algunos otros quím icos de la época, avisó contra u n a concepción del sistem a com o reflejo de algún tipo de a rm onía subatóm ica in terna entre los elem entos.

U n esquem a de explicación m ejorada de las partículas fuertem ente interaccionan- tes fue desarrollado p ron to por M urray Gell-M ann, de veintiséis años, en la Universi- dad de Chicago, y tam bién po r Kazuhiko N ishijim a y Tadao N akano en Japón. Gell- M ann presentó un núm ero cuántico aditivo, al cual llam ó «extrañeza» (o strangeness, S) - u n nom bre que databa de o toño de 1953- y que era el cero para piones, m uones y nucleones pero no cero para las nuevas partículas extrañas. Por 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 quedaría inalterable, y de este m odo el concepto funcionaría com o una guía por la cual las reacciones podrían ocu rrir o no. U na reacción com o TT~ + p —> K ة + + no estaba perm itida, porque infringiría la conservación de la extrañeza (al m odificar s de o a - 2). Varias predicciones de la teoría de G ell-M ann-N ishijim a fueron verificadas po r los experim entos, y en ل96رآ ا ،إ idea de extrañeza, aunque no bien entendida desde el pun- to de vista teórico, estaba firm em ente establecida com o la idea más útil en la jungla de las partículas elementales. L؛؛ teoría im plicaba una reclasificación controvertida de los m esones K neutros, los cuales debían entenderse ahora, según Pais y Gell-M ann, com o una mezcla de K° y su antipartícula, siendo esto distinto de K° y con extrañeza opuesta. K° y K° estaban conectadas a través de interacciones débiles y las partículas desin- tegradas se in terpretaban com o una «mezcla» o superposición de K° y K° con disfin- tas de^ntegraciones. La K° era conocida p o r desintegrarse en dos piones y la K° de larga vida se suponía que se desintegraba en tres partículas. Esta presunción se confir- m ó en 1956, cuando el K°2 se observó por prim era vez en u n experim ento en el Cos- m o tró n Brookhaven.

M esones, hiperones y partículas de resonancia no fueron las únicas partículas nuevas de los años cincuenta. El an tip ro tón , predicho po r D irac en 1933, había sido largo tiem po esperado, e incluso hubo inform aciones de su descubrim iento en algunas ocasiones. Por ejemplo, los científicos soviéticos afirm aron en 1946 haber detectado la partícula en la radiación cósmica, pero ni esta ni otras afirm aciones realizadas antes de 1955 fiieron aceptadas. Para p roducir antipro tones po r colisiones de m ateria-pro tón , la energía de los p ro tones debía ser de al m enos 5,6 GeV. La m áxim a energía obtenida con el Bevatrón de 10.000 toneladas y casi diez m il m illones de dólares era de 6,2 GeV m uy po r encim a de la energía um bral. A unque el Bevatrón era una m áquina ideal de

no se construyó con el an tip ro tón en m en te ,y no fue sino hasta 1955 en que se usó para p roducir dicha partícula. La detección de u n an tip ro tón se consiguió p o r vez prim era en el o toño de 1955 po r los físicos de Berkeley Owen C ham berlain, Emilio Segré, Clyde W iegand y Thom as Ypsilantis. Sus escintiladores y contadores Cherenkov m ostraban unos 60 candidatos a antiprotones, pero la prueba irrefutable de esta partícula, su aniquilación con un p ro tón norm al, no se confirm ó ؛nm ediatam ente. Eso llegó en 1956, cuando u n grupo de físicos italianos, dirigidos p o r Amaldi, en co- operación con el g rupo de Berkeley, in form aron de la fijación de u n an tip ro tón en una

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pila de em ulsión. El siguiente pas©, usand© antipro tones del Bevatrón para producir antineutrones, se llevó a cabo en 1957 po r o tro g rupo de Berkeley. N inguno de los descubrim ientos supuso una gran sorpresa.

Había más en los prim eros experim entos del Bevatrón que progreso científico. El éxito experim ental, apoyado en el uso de un sistem a de im anes tetrapo)o$ sugerido pri- m ero p o r el físico de Brookhaven ©reste ?iccioni, que pensaba que los físicos de Ber- keley le habían robado su idea. En 1972, trece años después de que a Segré y C ham - berlain les ftrera concedido el prem io N obel por su descubrim iento, Piccioni tom ó el paso bastante extrem o de dar a conocer sus cargos en u n a dem anda. N ada excepto el seguim iento de la prensa se dedujo de la inusual iniciativa. La dem anda de Piccioni no fue ط única consecuencia insólita de los experim entos. En 1979 c .ر, . C ooper acusó a Segré y a C ham berlain de haber suprim ido deliberadam ente datos que m ostraban la evidencia de taquiones o partículas m ás veloces que la luz. «El experim ento Segré es a la com unidad de la física lo que las cintas del W atergate fueron para el ex presidente Nixon», dijo de m anera dram ática (Franklín 1986, p. 239). D esgraciadam ente para el dram a, pero afortunadam ente para la física, a la acusación le faltaban pruebas y pocos físicos la tom aron en serio.

Interacc^ne$ débile$

El n eu trino evitó su detección cuatro años m ás que el an tip ro tón . Al contrario que esta ú ltim a partícula, que apenas desem peñó papel alguno en la física teórica, el neutrino (o más bien el an tineu trino) se hizo m uy im portan te después de la teoría de Fer- mí de 1933 de la desintegración beta y fue usada ru tinariam ente p o r físicos nucleares en ل94ه . Los físicos creían en la existencia del neu trino independientem ente de sí la partícula había sido detectada o no. ¿٧ qué significaba que una partícula existía? En un artículo de 1952, en el Bulletin o f the A tom ic Scientists titu lado «¿Existo realm ente el neutrino?» el físico teórico Sidney D ancoff m antenía desde una perspectiva positivista que era u n a cuestión insignificante y que conceptos com o «neutrino» y electrón» eran sim plem ente m aneras cóm odas de organizar los datos experim entales. Lo único que le im portaba a D ancoff era que el neu trino , hubiera sido detectado o no, era tan «real» com o el electrón. D urante más de una década se asum ió de m anera generalizada que el neu trino siem pre quedaría sin detectar por su interacción extrem adam ente débil con la m ateria. No existía un gran interés en in ten tar u n experim ento de detección, pero en Los Álamos, Frederick Reines y Clyde Cowan vieron en 1951 que las desintegraciones beta intensas derivadas de una explosión nuclear podrían proveer de suficientes (an ti)neu trinos para su detección, a través de interacciones con los protones. Reines y Cowan pensaron seriam ente utilizar una bom ba atóm ica para su experim en- to, pero se decantaron p o r el m ás pacífico am biente radiactivo de un reactor nuclear. Después de m uchas dificultades, diseñaron u n experim ento en el cual el efecto de los neutrinos en el agua produciría una señal distintiva de coincidencias de rayos gam m a. Para m edir la señal, desarrollaron un sistem a de detección com pleja de 330 tubos m uí-


tiplicadores inm ersos en un líquido orgánico. En 1956, usando el reactor del rio Sa- vannah com o fuente de neutrones, encon traron señales de que había indicios inequí- vocos de reacciones neu trin o -p ro tó n . El descubrim iento del neu trino fue incluso m e- nos sorprendente que el descubrim iento del an tip ro tón realizado el año previo.

Unos años después del experim ento exitoso de Reines y Cowan, otros experim entos m ostraron que las reacciones que ocurrían con el neu trino no ocurrían con el an- tineu trino , y que las dos partículas eran po r tan to diferentes. Esto estaba de acuerdo con la conservación del núm ero leptónico (L), una idea im plícitam ente in troducida p o r Emil K onopinski y H orm oz M ahm oud en 1953. Tanto el electrón com o el m uón negativo tienen L = +1, así com o los neu trinos asociados. Pero m ientras la desintegra- ción de un m u ó n en un electrón y u n par neu trin o -an tin eu trin o era bien conocida, la desintegración en un electrón y u n cuanto gam m a no se había observado; y, sin em - bargo, se perm ite según la conservación del núm ero leptónico. De m anera form al, esto se contabilizaba in troduciendo incluso o tra ley de conservación, p o r la cual el núm e- ro m uónico se conserva. Esto hizo que se sugiriera que el neu trino asociado con la de- sintegración TT(i sería diferente del n eu trino ord inario asociado con el electrón en la desintegración del neu trón . Si éste era el caso , س + م ال ا’ار+س estaría perm itido, m ientras que إإاأ + n —> e~ + p estaría prohibido. La diferencia entre estas dos reacciones, y po r tan to la existencia de un m u ó n -n eu trin o separado del e ^ tró n -n e u tr in o , fue mos- trada experim entalm ente en 1962 en una colaboración entre la Universidad de Co- lum bia y el Laboratorio Nacional Brookhaven dirigida por León Lederm an, Melvin Schwartz y Jack Steinberger. El éxito del experim ento se aseguró p o r el sistem a de de- tección, una 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 cincuenta fue la p rueba de que la paridad no se conserva en los procesos débiles. El principio de la invariancia de la paridad, o sim etría ' fúetrasladado a la m ecánica cuántica po r Eugene W igner en 1927-1928, e ' te obtuvo un estatus paradigm ático. Debe tenerse en cuenta que la paridad es en este contexto u n concepto específicam ente m ecánico-cuántico. C uando H erm ann Weyl, en 1929, propuso una ecuación ondu lato ria D irac de dos com ponentes para partículas con m asa cero y espín de un m edio, Pauli rechazó la ecuación porque no satisfacía la invariancia de la paridad. La ecuación de Weyl no fue rehabilitada hasta m ucho des- pués, posteriorm ente al descubrim iento de la no conservación de la paridad. Hasta m ediados de los años cincuenta, los físicos no se cuestionaban el dogm a de la conser- vación de la paridad, y los pocos experim entos que, en retrospectiva, indicaban el incum plim iento de la ley de la conservación no fueron in terpretados com o tales.

C on el descubrim iento de las partículas extrañas, se hizo evidente que una de ellas, llam ada 0+, se desintegraba en dos piones (tt+ u ° ) ; la otra, la partícula T+, en tre؟ pió- nes (rr_ TT+ TT+). Además, las dos partículas tenían la m ism a m asa y el m ism o tiem po de vida, p o r lo que parecería que serían sim plem ente dos m odos distintos de desintegrarse de la m ism a partícula. En cualquier caso, com o dem ostraron Richard i)alitz y otros en 1 9 5 4 , el estado de espín y de paridad de 0 era d istin to del de T, p or tan to eran p re

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suntam ente distintos. La enrevesada cuestión fue am pliam ente debatida en 1955-1956 y se propusieron varias sugerencias para resolverlo. £[٦ 1956, Tsung l)؛؛o Lee y Chen NingYang, dos físicos chinos que llegaron a la U niversidad de Chicago poco después de la guerra, sugirieron que la no conservación de la paridad era una posibilidad realista. Se encon traron para su sorpresa, con que la conservación de la paridad no estaba bien apoyada por los experim entos anteriores: «Se nos m ostró com o obvio que no había, en aquella época, u n a sola evidencia de la conservación de la paridad en la de- síntegración (؛؛, ¡y que debim os de ser m uy estúpidos!» (Franklin 1986, p. 14). H abien- do «term inado de calcular y em pezado a pensar» sugirieron al final de 1956 que la con- servación de la paridad se incum plía en in fracc io n es débiles, aunque avisaron de que «este argum ento [...] no debe ser tom ado dem asiado en serio por la opacidad de núes- tro conocim iento actual de las particulas extrañas». El pensam iento de Lee y de Yang les hizo sugerir dos tipos de experim entos, uno sobre la desintegración beta y o tro sobre la desintegración TT\ie, que deberían ser capaces de revelar el sospechado incum plí- m iento de la conservación de la paridad. Los experim entos frieron realizados por tres grupos de físicos a principios de 1957: C hien-Shiung W u en la Universidad de C olum - bia investigó la desintegración beta, la desintegración m esón fue exam inada por Ri- chard G arw in, feo n Lederm an y M arcel ^̂ '’einrich, tam bién en la Universidad de Co- lum bía, y usando una técnica distinta, ferome Friedm an y Valentine Telegdi en la U niversidad de Chicago. Los resultados p robaron que Lee y Yang ten ían razón: la paridad no se conserva en las interacciones débiles. La ru p tu ra de la ley de la conservación de la paridad fue, a pesar de su naturaleza revolucionaria, aceptada rápidam ente po r la com unidad física. Paul¡, gran seguidor de los principios de sim etría y que, ya en enero de 1957, había escrito a Victor W eisskopf que «no creo que el Señor sea un débil zurdo» no fue una excepción. En o tra carta a Weisskopf, describió su propia reacción: «Ahora, des- pués de haber superado el prim er im pacto, empiezo a recoger mis pedazos. Sí, file m uy dram ático [...] estoy im pactado, no tanto por el hecho de que el Señor prefiera la m ano izquierda, sino por el hecho de que El todavía parece ser simétrico izquierda-derecha cuando él se expresa a Sí m ism o de m anera fiierte» (Franklin 1986, p. 25).

El descubrim iento de la no conservación de la paridad contribuyó a un cam bio general en el clim a intelectual de la física ífindam ental, dirigida a una tendencia a cuestionarse la validez absoluta de otras leyes de conservación tam bién. C om o expresó Phi- lip M ocrison en 1958, «no podem os escapar a m irar todas las sim etrías tan abiertas com o ahora a una duda razonable, y com o candidatas a una p rueba '(Kragh 1997c, p. 204). Incluso los principios de conservación de energía y conserva- ción de la carga se podrían cuestionar, com o lo fueron en conexión con algunos de los m odelos cosm ológicos debatidos en ese tiem po. La explicación de Lee-Yang m ostró no sólo que la paridad ء) ) se incum plía en interacciones débiles, sino que tam bién era el caso con la conjugación (C) de la carga, esto es, la sim etría partícula-antipartícula. Esta propiedad invariante nos retro trae a la in troducción de las antipartículas de D irac en 1931, fue form ulado com o un teorem a p o r W endel Furry el año siguiente y declarado com o princip io de in v ^ ian c ia general por K ram ers en 1937. Landau, aunque acepta


ba el resultado de W u y otros, estaba entre aquellos que no estaban eonten tos eon la no eonservación de la paridad porque parecía que estaba en conflicto con la isotropía del espacio. «En m i o p in ión una sim ple negación de la conservación de la paridad p o ndría a la física teórica en una situación incóm oda», escribió Landau en 1957. ?٠٢ esa razón sugirió que «todavía tenem os invariancia con respecto al p ro d u c to de las dos operaciones [CP], a la cual llam am os inversión com binada [...] [y la cual] consiste en reflejo del espacio con in tercam bio de partículas y antipartículas» (Franklin 1986, p. 79).

Com o m ostraron Pais y ?iccioni en 1955, la teoría de mezcla de partículas de los kaones propuesta po r Gell-M ann y Pais predecía que un haz de las partículas de larga vida K°2 después de su paso po r la m ateria «regeneraría» las partículas K° de corta vida que habían sido en origen mezcladas con las partículas K°r Este fenóm eno ،he confirm ado en 1961 y unos pocos años más tarde los físicos de Princeton James (]ronin, Jim Chris- tensón y Val Fitch, en colaboración con el francés Pené 'l'urlay, se unieron para investí- gar con m ayor profundidad. Al m ism o tiem po, estudiaron la desintegración de K°2 en dos piones, un proceso que no estaría perm itido 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 entre casi 30.000 desintegraciones analizadas. C om o apuntaba el grupo de ?rinceton, esto probó que en esta desintegración, en concreto, incluso la conserva- ción CP era incum plida. Este resultado im portante, m ás tarde reconocido con un pre- m ió Nobel, sólo fue m encionado brevem ente en el artículo de los físicos de Princeton. «La presencia de una desintegración de dos piones im plica que el m esón K°2 no es un puro eigen-estado de CP», escribieron. Eso era todo, pero era suficiente.

El que quizá sea el m ás firerte de todos los principios de invariancia, el teorem a CPT, m antiene que todos los procesos son invariantes bajo las operaciones com binadas de c , p, y la inversión del tiem po (T). Esto fue form ulado en distintas versiones en los años cincuenta, pero no se puede adscribir a un único físico o darle un año concreto de nacim iento. Se le suele acreditar la patern idad a Pauli, G erhard Lüders o a Julián Schwinger, pero John Bell y B runo Z um ino deberían tam bién considerarse candidatos. Ya fundado sólidam ente en los conceptos más elem entales de relatividad y de m ecáni- ca cuántica, el teorem a C PT goza de un estatus en ظ física m uy alto, casi sagrado. Con la p rueba de la infracción de la desintegración de K°2, se hizo no to rio que o bien el teorem a CPT no podía apropiarse de u n a validez absoluta o la inversión del tiem po fa- lia. A pesar de este dilem a, que se dirigía a una elección entre dos consecuencias igual de poco atractivas, la m ayoría de los físicos aceptó los resultados de Princeton com o prueba de la infracción de CP. Se sugirieron explicaciones alternativas, pero ninguna consiguió una aceptación am plia. El m enor de los dos males, según le parecía a la m a- yoría de los físicos, era aceptar que la sim etría del inverso del tiem po se rom pe en I؛؛ desintegración de los dos piones de K°2. A unque los físicos han buscado evidencias directas de la infracción de T desde m ediados de los años sesenta, no se ha encontrado una confirm ación definitiva.


محا significación de los experim entos de la violación de la paridad de 1957 y la vio- ación de CP en 964 ا no estaba restringida a las im plicaciones cognitivas; éstos fueron

decisivos para ط form ación de la subdisciplina conocida com o física de interacciones .:ebiles, un cam po que ya se encuentra en la teoria de Ferm i, en 1933-1934, pero que solo tuvo u n significado social en 1957. Los datos ' m ostraban clara-m ente la im portancia de los dos eventos en el auge de la teoria de interacción débil. C om o porcentaje del núm ero 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 cantidad «norm al» del 1 p o r 100 en dos años. D urante los años 1950- 1970, el po r- centaje de artículos de física de interacción débil que eran predom inantem ente teó r؛- eos con respecto a los que eran predom inantem ente experim entales, floreció de un aproxim ado 0,8 a un 5,8 p o r 100 (Vlachy 1982, p. 1066). Los increm entos súbitos del ̂؛ rc e n ta je alrededor de )958 y 1965 reflejan el im pacto de los dos descubrim ientos pioneros sobre el incum plim iento de la simetría.

Los quarks

De acuerdo con el folklore de la física, se le atribuye a Ferm؛ haber contestado una pregunta relativa a los nom bres de las partículas elem entales con «joven, si fuera capaz de recordar los nom bres de estas partículas, m e hubiera hecho botánico». Eso fue en 1954, en un tiem po en el que se conocía una docena de partículas. Diez años después una reseña subrayaba que «hace sólo cinco años, se podía hacer una lista ordenada de 30 partículas subatóm icas, [...] desde entonces, se han descubierto entre 60 y 70 objetos subatóm icos más» (Fickering 1984a, p. 50). En efecto, duran te esos años el núm e- ro de m esones y bariones [...] fuertem ente desintegrables explotó com o resultado de las innovaciones en la tecnología de aceleradores y detectores. Con el increm ento de partículas aum entó la necesidad de entenderlas o, al m enos, de clasificarlas de acuerdo con algún m arco teórico. Las ideas para organizar las partículas elementales, en el sentido de reducirlas a m enos objetos, venían del final de los años cuarenta y estaban basadas en el form alism o del isospín. En 1949 Fermi y Yang especularon que el p ión po- dría ser concebido com o una com binación de un nucleón y un antinucleón, y en 1956 el físico japonés Shoichi Sakata sugirió una teoría de acuerdo con la cual los dos nucleones y la partícu la ٨ - a veces conocidos com 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 Universidad de Nagoya por la com posición de las partículas elem entales estaba guiado p o r la m etodología m arxista del m aterialism o dialéctico. A unque el m odelo de Sakata parecía prom etedor, y fue útil para poder en tender los estados m e- sónicos, a finales de los años sesenta no atraía ya m ucha atención fuera de Japón.

El más exitoso de los prim eros sistemas de clasificaciones estaba basado (com o el de Sakata) en el g rupo de sim etría SU(3), originalm ente com o parte de u n a teoría de cam po de gauge de interacciones fuertes. La propuesta del g rupo SU(3) fue realizada en 961 ل, de m anera independiente p o r G ell-M ann, entonces en Caltech, yYuval Ne’e-


m an, un joven teórico israelí que en la época estaba trabajando com o agregado m ilitar en Londres. La idea se vino a conocer com o «Eightfold Way» (vía óctuple»), té rm ino acuñado p o r Gell-M ann. De acuerdo con esta vía o sistem a de clasificación, las partículas estaban agrupadas o «representadas» en m últiplos, caracterizados p o r u n espín y núm eros de paridad definidos e incluyendo partículas con isospines y extrañeza d istintos. Por ejem plo, las partículas con un espín de u n m edio y paridad positiva fo rm aban u n octeto que consistía en p, n, A , X+, ٤ ", S° E~ y E +, siendo caracterizadas cada una de las ocho partículas p o r su isospín y p o r su extrañeza. El octeto era la entidad básica de la teoría G ell-M ann-N e’em an, que tam bién incluía decupletos y, para los m esones, nonetos. En la época en que se propuso la vía óctuple existían varios «agujeros» en los m odelos en form a de partículas desconocidas, y existía incertidum bre con relación al lugar adecuado de algunas de las partículas recientem ente detectadas. En el octeto constitu ido p o r piones y kaones, faltaba una partícula. C uando se encontró la resonancia ٦ en o toño de 1961 y resultó acoplarse de una m anera fácil en el esquema, esto le dio u n apoyo valioso a la vía óctuple. La teoría fue debatida en la conferencia de Rochester de 1962 y tam bién en una conferencia en el CERN el m ism o año. En am bas conferencias, el m últip lo de barión de espín 3/2 y de paridad positiva estaba entre los tem as a tratar. Este m últip lo contenía nueve partículas, algunas de las cuales, la X* y la E*, fueron dadas a conocer po r p rim era vez en la conferencia del CERN. Si era un decúplete, debería contener una partícula adicional - y aún desconocida- G ell-M ann e independientem ente Ne’em an argum entaron que el décim o m iem bro debería tener un a extrañeza de -3 y u n a m asa de unos 1680 MeV; adem ás, debería ser u n a partícula ord inaria con un tiem po de vida relativam ente largo, m ás que una resonancia. Gell- M ann nom bró la partícu la predicha com o h iperón Q~ y dejó el escenario abierto para los físicos experim entales. (La un idad de m asa MeV, abreviatura de M eV/c2, equivale a aproxim adam ente la m asa de dos electrones.)

Los físicos en Europa y en Estados U nidos estaban deseosos po r igual de encontrar, o más bien desarrollar y después encontrar, la partícula predicha. La búsqueda derivó p ronto en una com petición entre el CERN en Europa y el laboratorio Brookhaven en Estados Unidos, con los estadounidenses com o ganadores de la carrera. A principios de 1964, un grupo de tre in ta y tres físicos de Brookhaven, dirigidos po r Nicholas Sa- m ios, pudo anunciar u n experim ento de total éxito. E ncontraron en su cám ara de b u rbujas de h idrógeno expuesta a kaones una traza que, concluyeron, era el resultado de la desintegración de Q- producida com o K~ p —» Q~ K + K°. No sólo tenía la partícula la extrañeza (-3 ) y tiem po de vida (0,7 x 10-10) adecuados, tam bién encon traron que la m asa era de 1.686 ± 1 2 MeV, excelentem ente acorde con el valor predicho. La confirm ación, po r supuesto, fue un gran triunfo para SU(3) y para el esquem a de clasificación de la vía óctuple, con una contundencia que ya no podía ser puesta en duda. Con el éxito del esquem a, los físicos naturalm ente se preguntaban p o r qué funcionaba tan bien, u n a cuestión que había sido considerada p o r G ell-M ann y o tros incluso antes del éxito de Q~. Existía o tra d im ensión en el experim ento, tan característica de la física de partículas m oderna com o la pu ra d im ensión científica. Antes de que el equipo

D escaim ientos de partieras 313

de Brookhaven entregara su artículo a ظ Physical Review Letters, de publicación rápi- da, d ieron u n a conferencia de p rensa, con la in stru cc ió n de que los periód icos sólo publicarían la no tic ia u n a vez que h u b iera aparecido el artícu lo . De algún m odo hubo u n a filtración , y aparecieron noticias sobre el descubrim ien to en la N ew Scien- tist antes de la fecha de publicación . U no de los físicos de Brookhaven dijo: « fu e u n desastre. A rru inó n u estra pub lic idad . H ubiéram os o b ten ido la p rim era página del N ew York Times del dom ingo, que es algo m uy b u en o de obtener. D espués de todo , ¿de dónde conseguim os el d inero nacional? Del C ongreso. Supone u n a gran diferencia conseguir la p o rtad a en el N ew York Times, ya que casi todos los congresistas la leen. Es un factor, y no podem os negarlo, p o r lo que nos im p o rta m uchísim o» (G astón 1973, p. 86).

En 1964 la interpretación de la Eightfold Way en térm inos de un m odelo com - puesto de hadrones (partículas de interacción fuerte) fue propuesta po r Gell-M ann, quien, inspirado en u n pasaje de Finnegans Wake, de James Joyce, llam ó a las partícu- las constituyentes «quarks». U na sugerencia m uy similar, pero usando el té rm ino «ases» (en inglés, «aces») en vez de «quarks», fúe realizada de m anera independiente po r Georg Zweig, u n am ericano, ruso de nacim iento, de veintiséis años, y alum no de Gell-M ann que trabajaba en el CERN; los físicos adop taron el nom bre m ás literario. Según a la idea del quark, todos los hadrones consistían en com binaciones de dos o tres quarks y sus antiquarks. Jo que significaba que los cientos de partículas hadrónicas y resonancias se reducían a com binaciones de tres entidades fundam entales. Éstos eran los quark «up» (tam bién conocidos com o quark «arriba») y los quark «down» (tam bién conocidos com o quark «abajo»), am bos con extrañeza cero, pero con i$o$pín opuesto, y el quark «extraño» con 5 = 1 . Por ejemplo, el p ro tón estaba com puesto por uud, y el pión negativo po r díi. El hecho más destacable en la concepción del quark era que los nuevos objetos hipotéticos tenían cargas eléctricas fracciónales, en concreto, +2/3 para el quark « y -1 /3 para los quarks d y s . ¿Eran los quarks, más que una anotación de con- tabJe, una regla m em otécnica útil? ¿Existían com o objetos dinám icos que podían ser detectados? Estas cuestiones frieron planteadas inm ediatam ente po r físicos que reco- nocían el éxito de clasificación del m odelo del quark sim ple, pero que tenían reservas respecto al estatus ontológico de los quarks. G ell-M ann, el inventor del quark, enfati- zó que su invención no existía. «Es divertido especular cóm o se com portarían los quarks si frieran partículas físicas de m as؛؛ finita», escribió en su artículo de 1964. «Una búsqueda de quarks estables de ca rg a -1 /3 ó -2 /3 y/o diquarks estables de carga -2 /3 ó +1/3 ó +4/3 en los aceleradores de m ayor energía nos ayudaría a reafirm arnos en la no existencia de los quarks reales» (Pickering 1984a, p. 88). C>ell-Mann afirm ó después que había em pleado la palabra «real» com o opuesta a «m atem ática», no para negar que los quarks existiesen, sino para evitar discusiones filosóficas relativas al significado de la existencia de objetos perm anentem ente confinados.

El m odelo del quark no fue especialm ente bien recibido en sus prim eros años. Una de las razones fúe el fracaso persistente de los experim entalistas en la detección de quarks libres; otro, que el m odelo quark se veía en general com o teóricam ente inftin-


dado y €١٦ desacuerdo con otras alternativas más populares en la época. Los quarks fun- C l o n a b a n perfectam ente en el nivel fenom enológico, pero para m uchos físicos eran m eras expresiones sim plistas de las dinám icas de un m undo hadrónico que todavía no se entendía. La m enos que entusiasta respuesta no evitó que los x ^ r im e n ta l is ta s inten taran refutar a G ell-M ann, esto es, m ostrar que ios quarks existían, más que m ostra r que no existían. U n estudio de 1977 de experim entos de búsqueda de quarks listó unas ocho búsquedas de este tipo. Entre las m uchas búsquedas que seguían la teoría de 1964, la más interesante fue llevada a cabo p o r W illiam Fairbank y sus colaboradores en l a Universidad de Stanford. En 1977, después de varios años de trabajo, e l grupo de Stanford com unicó que había encontrado cargas fracciónales en experim entos tipo M illikan, en concreto, tres casos de bolas d im inutas de niobio que poseían un tercio de la carga del electrón. El hallazgo fue controvertido, tan to experim ental com o teórica- m ente, ya que en esa época los teóricos se habían convencido de que los quarks libres no existían, sino que estaban perm anentem ente confinados den tro de los hadrones, de los cuales form aban parte. Baste decir que el hallazgo no fue confirm ado por otros experim entos y que fue, después de m ucho debate, rechazado p o r la com unidad física de partículas elementales.

El quark no fue la única partícula elem ental que escapó a la detección. M uchas otras partículas exóticas habían sido predichas sin haber sido nunca encontradas, b ien por ser dem asiado difíciles de encontrar, bien porque no existían: el m ouopoio m agnético es u n ejemplo. Dirac dem ostró en 1931 que los polos m agnéticos aislados eran posibles, esto es, consistentes con las leyes básicas de la física. D urante más de tres décadas, la posibilidad fue ignorada, pero, en los años setenta, los m onopolos se convirtieron en objetos interesantes, después de que G erardus ’؛ H ooft en los Países Bajos y A lexander Polyakov en la U nión Soviética m ostraran que ciertas teorías de cam po de gauge pre- decían m onopolos m agnéticos enorm es. En 1975, Paul Buford Price y sus colegas anunciaron que habían encontrado en la radiación cósm ica un m onopolo con la fuerza predicha. El descubrim iento, anunciado en una conferencia de prensa, causó sensa- ción. Price m encionó (quizá de m anera irónica) que «se pueden im pulsar barcos por los m ares poniendo unos cuantos m onopolos en el barco y haciendo que el cam po m agnético de la T ierra tire a lo largo del océano»; y esto no era todo, de acuerdo con el Institu to A m ericano de Física, el descubrim iento podría derivar en aplicaciones tan útiles com o «nuevas terapias m édicas en la lucha contra enferm edades com o el cáncer y nuevas fuentes de energía». Al ser confrontado con sem ejante declaración, el portavoz del AIP (Am erican Institu te o f Physics) dijo que «la gente espera que seas capaz de decir qué uso puede tener u n experim ento y él [el portavoz] sim plem ente está hacién- dolo lo m ejor que puede» (Kragh 1981b, p. 160). Ni se obtuvo energía m agnética ni una cura contra el cáncer. Un año después, se decidió por consenso que el anuncio del descubrim iento había sido erróneo.

El fracaso de Price no paró a los cazadores de m onopolos, que continuaban buscando la escurridiza partícula. En 1982 se hizo otro anuncio de u n sensacional descubrim iento , esta vez po r Blas C abrera en la Universidad de Stanford. G rabó el cam bio


en el flujo m agnético de un anillo superconductor y lo in terpretó com o el resultado de u n m onopolo pasando p o r el anillo. A unque el suceso no estaba explicado en térm inos de otras fuentes, ni estaba p o r o tra parte p robado com o u n error, ni C abrera ni otros lograron confirm arlo. U n suceso solo no fue suficiente para cam biar el estatus del m o nopolo: de fam osa partícula p o r encon trar a partícula real.

El crecimiento de la física de partículas

Desde un pun to social y cuantitativo, el p rim er cuarto de siglo de la física de altas energías se caracterizó p o r dos hechos: un fuerte crecim iento y un fuerte dom in io estadounidense - n o u n a «am ericanización», usar ese té rm in o im plicaría que los Estados U nidos se hub ieran apropiado de un cam po ya establecido, y éste no era el caso-; la física de altas energías era en gran m edida u n a invención estadounidense. (En esta sección, de acuerdo con la convención, nos referirem os a la física de altas energías com o HEP (siglas del inglés High Energy Physics). No hay datos con tunden tes sobre la d istribución in ternacional de la HEP en el periodo en tre 1950 y 1970, pero en el estud io del Institu to A m ericano de Física se indica que, a m ediados de los sesenta, el 32,3 p o r 100 de los físicos teóricos de altas energías eran estadounidenses o canadienses, el 35 po r 100 era de la Europa no com unista, y la m ayor parte del resto era de la U nión Soviética y sus aliados en la Europa del Este. La con tribución de los físicos japoneses fue significante, y la de los países del Tercer M undo apenas destacable. El dom in io am ericano está fuera de discusión, lo que, dada la situación antes de la guerra y el curso de los eventos du ran te y poco después de la guerra, no es m uy so rprendente. A unque hay otros dos factores im portan tes: Estados U nidos invirtió en HEP, pero no m ucho m ás que algunos países europeos. Por ejem plo, en 1967-1968, los Estados U nidos gastaron unos 160 m illones de dólares en HEP, sin duda u n a gran sum a; eso fue unas cuatro veces lo gastado en G ran Bretaña, pero ten iendo en cuenta las diferencias de población y ren ta per cápita, el resultado final es que G ran Bretaña invirtió m ás recursos en HEP que los Estados U nidos. La o tra cuestión para recordar es que la m ayoría de los físicos que trabajaban en Estados U nidos y, p o r tan to , contrib u ían a la parte de la física de ese país, eran europeos o asiáticos. Al 30,4 p o r 100 de los c iudadanos estadounidenses que con tribuyeron a ese 32,3 p o r 100 de no rteam ericanos indicado antes, debe añadirse u n aproxim ado 12 p o r 100 que no eran estadounidenses pero que trabajaban en los Estados U nidos. D uran te las prim eras décadas del periodo de posguerra (y todavía hoy, en m enor m edida), los Estados U nidos actuaron com o un im án en m uchos cam pos de la física y contribuyeron a u n a in ternacionali- zación -a lg u n o s lo llam arían u n a am erican ización - de la física. Sin em bargo, la d o m inación am ericana nunca fue to tal, n i cuantitativa n i cualitativam ente. El ranking de países de 1981, m edidos en relación con la p roporc ión del total de publicaciones totales m undiales en HEP, estaba encabezado p o r los Estados U nidos com o claro n ú m ero uno , con casi el 30 p o r 100. Le seguían, p o r este orden, la U nión Soviética, Alem ania, Japón, Reino U nido, Francia e Italia, todos con u n 4 por 100 o más. En la «se-


TABLA 21.2D istribución regional de publicaciones de física de altas energías, 1982

N ° de posición País o región Porcentaje de publicaciones

1 E uropa occidental 34

2 N orteam érica 31

3 U nión Soviética 14

4 lapón 6

5 E uropa del Este 5

6 India 3

- O tros 7

Nota: En este año, el número total de publicaciones en el campo fue de alrededor de 4.000. Datos de Vlachy 1982.

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اGráfico 21.1.La expansión de Progress ofTheoretical Physics 1946-1960, indicada por el número total de páginas anuales. Fuente: Reproducido de Konuma 1989, con permiso de Cambridge University ?ress.

gunda división», contribuyendo en tre u n í y un 4 p o r 100, venían la India, C hina, Ca- nadá, Polonia, España e Israel (véase tabla 21.2). U n recuento del m ism o año, 1981, m uestra que si se m ide p o r núm ero de artículos de física de partículas p o r m illón de


habitantes, Israel es el claro n úm ero uno, seguido p o r Suiza, A lem ania, D inam arca y Estados U nidos.

Siendo de interés dichas cifras, no deberían tom arse dem asiado en serio. C om o casi todo el resto de ram as de la física, la HEP es in ternacional y lo que cuenta de verdad no es tan to el origen nacional com o las instituciones en las que se ha llevado a cabo la investigación. A este respecto, com o com entábam os en el capítulo 20, el CERN y otros laboratorios europeos tom aron la iniciativa desde aproxim adam ente 1980. El relevo estaba basado en porcentajes de crecim iento diferentes en la producción de los físicos de altas energías. En 1962 la com unidad europea de HEP estaba form ada po r 685 científicos y la com unidad am ericana po r 798. Llegando a 1975, Europa había sobrepasado a los Estados U nidos en cuanto a m ano de obra. En ese año, la población estadounidense de físicos doctorados en HEP se increm entó a 1.732, m ientras que Europa pudo subir hasta 1.806 doctores en física de HEP.

A pesar del internacionalism o, natu ralm en te había tendencias particulares de cada espacio nacional y cultural. Por ejem plo en Japón, la física de partículas y la teoría cuántica de cam pos disfru taban de una posición fuerte antes de la guerra, una posición que de m anera prim ordial se debe a los trabajos de N ishina y Yukawa. En periodo de guerra, Yukawa, Tom onaga, Sakata y o tros con tinuaron su trabajo bajo condiciones cada vez más difíciles. C on la ocupación de los Estados U nidos, se generó una queja de

TABLA 21.3Distribución de publicaciones de cam pos científicos según Physics Abstraéis, 1964 y 1968

1964 1968 Crecimientoanual

(porcentaje)Campo de estudio N úm ero Porcentaje N úm ero Porcentaje

Física del estado sólido 9.024 31,5 16.992 33,7 22

Física nuclear y física de altas energías

5.486 19,1 8.242 16,3 13

Electricidad y m agnetism o (incluye física del plasm a)

3.781 13,2 4.572 9,1 5

A tóm ica y m olecular 2.156 7,5 4.327 8,6 24

Fluidos 1.487 5,2 3.612 7,1 36

Astrofísica 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 0,16 -1 5

Total 28.656 50.477 19

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


que «toda la investigación en Japón, sea de naturaleza fundam ental ه aplicada, en el cam po de la energía atóm ica, debería ser prohibida» (K onum a 1989, p. 536). A pesar de m uchos problem as, los teóricos de HEP florecieron en Japón de un m odo destacable. El crecim iento está ilustrado por ظ revista científica in ternacional japonesa Pro- gress ofTheoretical Physics (Progreso de lafísica teórica), fundada p o r Yukawa en 946 ا y que se convirtió en una revista científica líder de HEP (véase gráfico 21.1).

La im presión general es la de que la HEP «explotó» en los dos prim eros decenios después de 1945, y no es una im presión sin fundam ento. N o hay cifras fidedignas de antes de 1964, pero entre 1964 y 1968 -e n m uchos aspectos, los años de explosión de la H E P - las publicaciones bajo la categoría de «física nuclear y de altas energías» su- bieron de 5.486 artículos a 8.242. Tras u n prim er vistazo, puede parecer un increm en- to espectacular, pero de hecho ni siquiera igualó el increm ento m edio en la física: el porcentaje de artículos científicos sobre HEP entre todos los artículos de física cayó del19,1 al 16,3 (tabla 21.3). La razón principal es que lo que hasta entonces se consideraba com o la herm ano m ayor de la HEP, la física nuclear, se hizo m enos popular, no que el interés en HEP declinara. Bastante al contrario , duran te este periodo de cuatro años, la HEP experim entó un boom ex traordinario , desde los ل52و. a los 4.776 artículos, una razón de crecim iento de un 212 p o r 100, sin precedentes. La tabla 21.3 lista el creci- m iento en distintos cam pos du ran te 1964-1968, y la tabla 21.4 el crecim iento en algu- ñas especialidades en el m ism o periodo. Este es el periodo en el que la HEP y la física del estado sólido p redom inaban y en el que la corriente principal de la década anterior, la física nuclear, perdió su posición privilegiada. Desde m ediados de los años trein ta hasta m ediados de los cincuenta, la física nuclear fue la ram a de m oda po r excelencia de la física, con la HEP sim plem ente siguiendo sus pasos. En 1939, el 33 p o r 00ل de todos los artículos en Physical Review estaban en la categoría «física nuclear» y el 10 po r 100 en «física de altas energías». En 1949, las proporciones eran del 51 por 100 y 12 por

TABLA 21.4C recim iento en subdisciplinas seleccionadas, 1964-1968

CampoN úm ero

1964 1968Crecimiento anual

(porcentaje)

Física de altas energías 1.529 4.776 53

Propiedades m agnéticas de los sólidos 910 2.563 46

Propiedades eléctricas de los sólidos 1.232 2.808 32

Propiedades ópticas de los sólidos 985 2.009 26

Física m olecular 1.437 2.329 <6

Defectos de los sólidos 858 1.229 11Física del plasm a 962 1.373 11Reacciones nucleares 1.043 1.301 6

N٠؛ «: Basado en Anthony, East y Slater 1969, p. 724


100 respectivamente, pero duran te la siguiente década la proporción de HEP subió ráp idam ente y la de la física nuclear decreció de m anera correspondiente.

Hay m ás en este m odelo que sólo una explosión: hay que considerar p rim ero las subvenciones de la física de altas energías de los Estados Unidos, principalm ente del D epartam ento de Energía y de la N ational Science Foundation (tabla 21.2). En el decenio de 1955 hasta 1965 se dio u n crecim iento in in terrum pido , llegando a u n pico alrededor de 1970, cuando el cam po recibió casi 800 m illones de dólares anuales (en p recios de 1984), pero a partir de entonces, la HEP experim entó una caída en su apoyo económ ico, si bien no fue drástica; de todos m odos, hubo periodos en los cuales la com unidad de HEP tuvo razones para preocuparse (véase tam bién el capítulo 26). En 1975, la HEP estadounidense recibió sólo la m itad de dinero del que recibió cinco años antes. D uran te este breve periodo de crisis, incluso los pagos en dólares constantes d ism inuyeron. Desde aproxim adam ente 1970, hubo u n increm ento real del interés en la HEP am ericana, reflejado po r ejem plo en el núm ero total de doctorados realizados en el campo. La HEP se había acostum brado a su crecim iento y en 1971, el núm ero de doctorados en HEP llegó a un pico con unos 280 graduados que se docto raron en HEP. Después la cifra dism inuyó velozm ente a 130 en 1975 y se m antuvo en este nivel d u rante los siguientes quince años. La tendencia correspondía a una d ism inución del 19 p o r 100 de todos los doctorados físicos en 1963 (el año récord) al aproxim ado 12 por

million 1984 dollorsper yeor

1950 1960 1970 1980 1990

Gráfico 21.2. Financiación en los EEUU de la física de altas energías por año y el núm ero de miembros de la American Physical Society. Fuente: Reproducido de Yang 1989, con permiso de Cambridge Uni- versity Press.


100 en el periodo siguiente posterior al m al año de 1975. U na cosa es el dinero que lie- ga, o tra los estudiantes de doctorado; ¿y qué decir de las ^ b lic a c io n e s , * consideradas com o una m edida objetiva de la salud de una disciplina cicntífic1£ ?؛؛ nú- m ero de publicaciones de HEP subió de m anera sostenida e im presionante desde 1960 a 1990, pero el increm ento es de algún m odo u n a ilusión: al m edirse en proporción al total de las publicaciones de fí،sica, el núm ero dism inuyó de casi un 14 p o r 100 en 1960 a u n ó p o r 100 en los años posteriores a 1975 (gráfico 21.3). Éstas sólo son cifras de la HEP am ericana. En el ám bito m undial, la p roporción de artículos de HEP de todos los

٧٠٠٢

٧—

Gráfico 21.3. El gráfico superior muestra las publicaciones anuales sobre física de altas energías, como indica el número de entradas en las secciones de Physics Abstracts dedicadas a las partículas elementales, teoría de campo cuántica, rayos cósmicos y aceleradores y detectores de partículas e instrumental relacionado. En la figura inferior, los mismos datos están mostrados como porcentaje de todas las entradas en Physics Abstracts. Fuente: Reimpreso con permiso de R. Corby Hovis y Helge Kragh, «Resource letter HEPP-1: history o f elementary-particle physics» AJP 59 (1991), pp. 779-807. (©) American Association of Physics Teachers.


artículos de física era alrededor del 4 po r 100 en 1981, con los Estados Unidos ligeram ente p o r debajo de la m edia de algunos países m ás pequeños, com o España, Italia, Israel y Pakistán, m uy p o r encim a de la m edia. Hay, por supuesto, una aportación del Tercer M undo en HEP, com o la hay en la ciencia en general. En m uy resum idas cuentas, los países en vías de desarrollo apenas han sido visibles en la HEP, y cuando lo han sido, sus físicos a m enudo han trabajado y vivido en Europa o en N orteam érica. Por ejemplo, m ientras que alrededor de 1965, el 6 p o r 100 de los físicos de altas energías eran indios, sólo el 2,4 p o r 100 estaban em pleados en India.

¿Dónde publicaban los físicos de altas energías sus artículos? Resulta, de m anera no inesperada, que había una jerarquía bastante definida, con algunas publicaciones p ercibidas com o más prestigiosas (o deseables) que otras. El ranking de las publicaciones de HEP relevantes en los años sesenta era éste: Physical Review Letters; Physical Review /am bos de la Am erican Physical SodetyJ] Physics Letters (europea, establecida en Países Bajos) y Nuovo Cimento (Sociedad Italiana de Física).

La HEP experim ental rápidam ente evolucionó hacia el m odelo colaborativo de la ciencia, caracterizado p o r m uchas colaboraciones entre m uchos científicos, y ya no el trabajo de físicos individuales del tipo R utherford o Curie. Esto fue, p o r supuesto, el resultado de la dependencia creciente de las instalaciones de gran ciencia, com o aceleradores y detectores de cám ara de burbujas. H acia el final de los sesenta, no era raro que un equipo de veinte o tre in ta físicos apareciera com o au to r de u n artículo, y esto sólo era el principio. Tam bién hay que destacar la relación cam biante entre experim entación y teoría en la HEP. El núm ero de teóricos creció m ucho más deprisa que el núm ero de experim entadores, y los dos grupos cada vez se separaban más. En 1968, 316 de entre 682 estudiantes de posgrado en HEP estadounidenses eran teóricos. Sólo en casos m uy determ inados, los jóvenes teóricos m igraban a la cu ltura experim ental o viceversa. De entre los jóvenes científicos que publicaron dos ó más artículos en física de interacciones débiles alrededor de 1970, la aproxim ación del 94 por 100 de ellos en su segundo artículo era el m ism o que el de su p rim er artículo (esto es, experim ental o teórica).

CAPÍTULO 22

Teorías fundamentales

QED

Com© se m encionaba en el capítu)o 13, la teoría cuántica de interacciones electro- m agnéticas -e lectrod inám icas cuánticas o QED (de Q uantum Electrodynamics)- fue objeto de m ucho debate en los años treinta. En esa época, m uchos físicos pensaron que no sería posible desarrollar la teoría convencional en u n m odelo que fuera a la vez te- óricam ente satisfactorio y em píricam ente fructífero. M ientras que las cantidades intí- nitas que resultaban en las aplicaciones de la teoría no pudieran ser evitadas, había poca esperanza de u n progreso ftrndam ental. Los problem as no recibieron m ucha atención duran te ط guerra, cuando la m ayoría de los físicos estaban ocupados con otras m aterias, pero después de 1945 era el m om ento o p o rtu n o de enfrentarse nueva- m ente a los infinitos. A unque el gran avance no estaba causado directam ente p o r nuevos resultados em píricos, la teoría y la e x p e r im e n ta c ió n fueron de la m ano en los im -

portan tes avances de 1947-1948 que dieron lugar a una nueva teoría de QED.La teoría de 1928 del átom o de hidrógeno de Dirac reprodujo la fórm ula de la es-

tru c tu ra fina confirm ada p o r experim entos de Som m erfeld y se le dio crédito, en general, po r encim a de las críticas que pudo recibir. La teoría ignoraba los efectos asociados con la interacción del electrón con su propio cam po, no obstante, experim entos en los años tre in ta indicaban que la estructura de línea de hidrógeno H a no encajaba exactam ente en las predicciones. H abía varias conjeturas sobre esa discrepancia que, de ser real, estaría causada po r desviaciones de la ley de C oulom b. En 1938, el teórico de Caltech Sim ón Pasternack sugirió lo que diez años m ás adelante se vino a conocer com o el desplazam iento de Lamb, si bien en esa época la situación experim ental no estaba clara y ظ idea de Pasternack se m antuvo sin desarrollar. Hubo que esperar hasta des- pués de la guerra, cuando se dio la prueba experim ental definitiva del cam bio espectral. U sando una técnica de m icroondas sofisticada con la que se había fam iliarizado duran te el tiem po de guerra, W illis Lamb, en el L aboratorio de R adiación de C olum bia,

Teorías fundamentales 323

explicó la cuestión. Junto a su estudiante R obert Retherford, dem ostró en la prim avera de 1947 que los dos estados del hidrógeno 2S1/2 y 2P1/2, que según la teoría de D irac tendrían la m ism a energía, estaban separados po r u n a pequeña energía correspondiente a la onda núm ero 0,033 €٨٦“'.

La significación del desplazam iento de Lamb fue reconocida inm ediatam ente por los participantes de la conferencia en Shelter Island sobre «Los fundam entos de la m e- cánica cuántica», cerca de Nueva York a principios de jun io de 947 ا. Entre los participantes de esta im portan te conferencia estaban Bethe, Weisskopf, Kr؛uner$, Pais, Sch- winger, Feynm an y tam bién Lamb, que dio a conocer sus resultados. La im portancia teórica del desplazam iento de Lamb era que podía ser debido a u n a interacción del electrón con el cam po de radiación y que podría, po r tanto , servir com o una guía para una teoría m ejorada de QED. Q ue el desplazam iento de Lamb era sin duda un efecto QED fue m ostrado prim ero po r Bethe, inm ediatam ente después de la conferencia. Bethe dem ostró en u n cálculo provisional que la m ayor parte del desplazam iento de Lamb se podía explicar de este m odo; su cálculo estaba basado en una form a sim ple de la teoría de la renorm alización de la masa, una idea que ya había sido propuesta antes de la guerra, por Kram ers en concreto. El cálculo de Bethe no era del todo relativista, y el siguiente paso era extenderlo y refinarlo haciendo uso de una aproxim ación reía- tivam ente invariante. Tales cálculos frieron realizados p o r varios físicos entre 1947 y 1949, incluyendo a Lamb y N orm an Kroll, W eisskopfy Bruce French, Schwinger, Feyn- m an y Tom onaga y su grupo en Japón. El resultado fue una concordancia absoluta con los experim entos y una confirm ación de la técnica de la renorm alización.

Las contribuciones seminales de Julián Schwinger a la nueva QED fueron asociadas con o tro experim ento delicado, ظ m edición del m om ento m agnético anóm alo del electrón. En 1947, u n grupo de físicos de la Universidad de C olum bia dem ostró que el valor del m om ento m agnético era un poco m ayor que el predicho en la teoría de Di- rae. En ese m ism o año, Schwinger, de 29 años de edad, em pezó a desarrollar su propia versión de una QED consistente y covariante, aplicándola para calcular tan to el saJto de Lamb com o el m om ento m agnético anóm alo del electrón. La teoría de Schwinger era trem endam ente com pleja en su aspecto m atem ático, pero entre la jungla m atem á- tica se vislum braban valores num éricos que concordaban perfectam ente con los experim entos. Por ejemplo, el m om ento m agnético del electrón se da por el factor g, que se- gún la teoría de Dirac era exactamente 2, pero experim entalm ente se sabía que era un poco mayor. M ientras que los experim entos en 1948 le daban u n valor de 2,00236 para el factor g del electrón, Schwinger encontró de manera teórica que g = 2,00232. Schwinger presentó su reform ulación covariante de QED en la prim avera de 1948 en una reunión en Pocono M anor, una secuela de la reun ión de Shelter Island. A parecieron versiones publicadas de la teoría en u n grupo de artículos en Physical Review entre 1948 y 1951. En el prim ero de estos artículos, una no ta prelim inar sobre el cálculo del m om ento m agnético, Schwinger denotó que en su nuevo form alism o de QED, «la interacción entre m asa y radiación produce u n a renorm alización de la carga del electrón y de su masa, estando contenidas todas las divergencias en los factores de renorm alización».


Sam Schwebef ha resum ido la significación del trabajo de Schwinger del siguiente m odo: «Su m étodo era general en el sentido de que daba paso a una electrodinám ica cuántica consistente para ordenar تم/ج , y exhibía un ham ilton iano sin divergencia para o rdenar e2/Hc que se podría considerar com o el pu n to de arranque para describir un cuanto m ecánicam ente com o cualquier sistema com puesto de electrones, positrones y fotones en la presencia de un cam po de C oulom b externo. Lo que previam ente eran piezas teóricas se so ldaron y unificaron en una electrodinám ica cuántica consistente y coherente para o rdenar a ٢ = e2/ fie]» (Schweber 1994a, p. 309).

A unque desconocida para Schwinger y los dem ás participantes en la conferencia de la isla Shelter, una teoría bastante sim ilar a la de Schwinger ya había sido desarrollada en Japón p o r S in-ltiro Tom onaga y sus colegas. Inspirado por algunas de las teorías de D irac, "í’om onaga desarrolló su aproxim ación de renorm alización de la m asa covariante a QED duran te y poco después de la guerra, en parte jun to con Ziro Koba y bajo circunstancias externas m uy difíciles. Se dice que los físicos japoneses obtuvieron su pri- m era inform ación sobre el desplazam iento de Lamb a través de Newsweek. Después de haber contactado con © ppenheim er (que había organizado la conferencia de la isla Shelter y al tiem po actuado com o una cám ara de com pensación de QED), en 1948 To- m onaga y sus colaboradores publicaron en Physical Review un resum en de su trabajo, incluyendo un cálculo del desplazam iento de Lamb. Tom onaga expresó su visión de la teoría de la renorm alización com o sigue: «La masa y la carga de los electrones que po- díam os observar de hecho [son] las cantidades corregidas m + bm y e + be. Por consi- guíente, [incluso] aunque los valores teóricos d e m + bm y e + ءة puedan ser infinita- m ente grandes, sus valores de hecho son finitos. Y p o r consiguiente, de nuevo, las dificultades del infinito en los valores en lugar de los teóricos m + bm y e +be Re- sum iendo, podem os decir que hem os agrupado todas las dificultades relativas al infini- to en ظ autoenergía de un electrón libre y en el problem a de la polarización del vacío» (Schweber 1994a, p. 271). El im portan te trabajo de Tom onaga hasta cierto pu n to era paralelo al de Schwinger, pero ocurrió de m anera aislada de la fase creativa de la QED am ericana y no influyó n i en Schwinger n i en Feynm an.

La tercera versión de QED era la de Richard Feynm an, o tro joven teórico brillante. Feynm an realizó su doctorado bajo la dirección de W heeler en 1942 y su p rim er trabajo científico tra taba de una nueva form ulación de la electrodinám ica clásica basada en interacciones directas entre partículas. La idea original de Feynm an era la de resolver los problem as de divergencia en la teoría clásica en el sentido de su in terpretación del cam po libre, y después esperar que los problem as desaparecieran cuando la teoría fuera transferida a la m ecánica cuántica. A unque no ocurrió así, sus prim eros trabajos le a ^ d a r o n a fam iliarizarse con un pu n to de vista espacio-tiem po general que posterio rm ente le llevó a la idea de form ular la m ecánica cuántica en térm inos de integrales de cam ino. En 1947, com o resultado de la conferencia de Shelter Island y del cálcu- lo de Beth del desplazam iento de Lamb, Feynm an em pezó a desarrollar su alternativa, u n a teoría altam ente original de la QED. La teoría estaba basada en ط form ulación de las integrales de cam ino y en cálculos apoyados po r una técnica de diagram as que


pron to se conoció com o los diagram as de Feynman. Desarrolló la teoría en artículos entre 1948 y 1951 e incluyó las reglas para los fangosos diagram as en su trabajo clásico «Aproximación espacio-tem poral a la electrodinám ica cuántica», aparecida en Physi- cal Review en 1949. En este artículo, apun tó con satisfacción que, aunque todavía hubiera problem as teóricos, «sin em bargo, parece que ahora tenem os disponible un m é- todo com pleto y definitivo para el cálculo de procesos físicos de cualquier orden en electrodinám ica cuántica».

En el verano de 1948, existían dos versiones distintas de renorm alización de la QED, la form ulación Schwinger-Tom onaga y la form ulación Feynm an. A unque las dos form ulaciones daban los m ism os resultados, la relación entre am bas distaba de ser obvia. La situación no era diferente de la existente entre la m ecánica de m atrices y la me- cánica ondu lato ria poco después de que la teoría de ^ h rd d in g e r hubiera aparecido veintidós años antes. El que las dos teorías de QED fueran equivalentes de facto fue de- m ostrado en 1949 en un trabajo im portan te de Lreeman Dyson, un m atem ático inglés de 25 años, que había llegado dos años antes a la U niversidad de Cornell para trabajar con la teoría cuántica de cam pos. En 1948, Dyson había com pletado el cálculo del desplazam iento de Lamb y reconocido que las teorías de $ch^vinger y Tom onaga eran sim- plem ente dos form ulaciones diferentes de la m ism a teoría física. El año siguiente deri- vó la teoría de Feynm an a su propia m anera, form ulándola po r prim era vez com o una teoría de cam pos, y p robando que las teorías de Schwinger y Feynm an eran equivalentes. C on la teoría sintética de Dyson, la nueva renorm alización de la (ؤ EL} estuvo esencialm ente com pletada.

La im portancia de los eventos de finales de los años cuarenta que dieron lugar a la nueva QED se ve ilustrada con el hecho de que cinco de los físicos que contribuyeron a su desarrollo fireron galardonados con el prem io Nobel: Lamb y Folykarp Kusch lo recibieron en 1955, el ú ltim o p o r su determ inación precisa del m om ento m agnético del electrón, y Schwinger, Feynm an y Tom onaga recibieron el prem io en 1965; aunque la renorm alización de la QED era claram ente el trabajo de cuatro físicos -Schw ingen, Tom onaga, Feynm an y D yson- éstos no fueron los únicos que trabajaron en el cam po y que realizaron contribuciones a éste. Fero al contrario de la situación de m ediados de los años veinte, cuando nació la m ecánica cuántica, los físicos europeos y sus instituciones no desem peñaban ningún papel significativo en la fase form ativa de la renor- m alización de la QED. Pauli, que había regresado a Zurich desde los Estados U nidos en 1946, siguió de cerca el desarrollo de la nueva teoría pero no contribuyó a su genera- ción. El único europeo que realizó contribuciones originales a la QED (excepto Dyson, que en su contexto cuenta com o u n estadounidense) fue el excéntrico físico suizo Ernst Stueckelberg, quien alrededor de 1946 alcanzó m uchos de los resultados obtenidos con posterioridad po r Schwinger y Feynm an. Los escritos de Stueckelberg, ط m ayoría en francés, ftreron considerados m uy difíciles y oscuros y su valor solam ente fue reconocido en la década de los cincuenta, después de su m uerte.

La historia de la QED de la posguerra tem prana invita a varias observaciones. En prim er lugar, que Schwinger y Tom onaga, que vivían en dos m edios culturales m uy


distintos, p rodujeron de m anera independiente prácticam ente las m ism as teorías de QED " Junto con otros ejem plos de la h istoria de ciencia, esto apoya lahipótesis de que el contenido cognitivo de la física no depende s؛g )f íf ic t؛vam ente del en to rno sociocultural. En segundo lugar, pocas veces u n gran adelanto teórico ؛m portante había sido tan conservador en su naturaleza com o la renorm alización de la QED del final de los años cuarenta. N o era, en realidad, u n a nueva teoría en el sentido de u n a teoria que repusiera o negara la QED de la preguerra, sino m ás bien la teoría antigua en un m odo m ejorado. Los jóvenes físicos clave estaban todavía al tan to de la continu idad y lucharon constantem ente para m an tener los principios de la teoría establecida. En un contraste claro a las actitudes revolucionarias de la generación de los mayores (gente com o Dirac, Bohr y Heísenberg), el pu n to de vista de Schwinger, Feyn- m an, Tom onaga y Dyson era esencialm ente conservador y pragm ático. D aban p o r supuestas la m ecánica cuántica y la relatividad especial y se preguntaban cóm o podrían usarse las dos teorías para fo rm ar una teoría consistente e útil de la QED. En tercer lugar, la actitud conservadora iba de la m ano de actitudes que eran pragm áticas y bási- cam ente no filosóficas. Para Feynm an, la física estaba hecha de cálculo y com paración entre resultados calculados y experim entales, ni m ás ni m enos. Feynm an estaba de acuerdo con el credo positivista de Dyson, «no puedes realm ente entender nada al menos que lo puedas calcular». En 1953, Dyson escribió sobre la QED: «Es el único campo en el cual podem os elegir un experim ento hipotético y predecir el resultado hasta el nivel de cinco decimales, confiados de que la teoría tom a en cuenta todos los factores relevantes. La electrodinám ica cuántica nos da una descripción com pleta de lo que hace u n electrón; p o r tan to , en u n cierto m odo, nos da u n en tendim iento de lo que es un electrón. Es sólo en la electrodinám ica cuántica que nuestro conocim iento es tan exacto que podem os sentir que tenem os algo de conocim iento sólido de la naturaleza de una partícula elemental» (Schweber 1994a, p. 568).

Los auges y decadencias de la teoría de campo$

Tras los exitosos avances de la QED de 1947 a 1949, existía g ran esperanza de que m étodos similares a los de la teoría cuántica de cam pos (TCC) fueran tam bién aplicados a o tras interacciones fundam entales. En cualquier caso, estas esperanzas no fueron cum plidas de inm ediato. En palabras de Steven W einberg, teórico em inente, en real؛- dad lo que ocurrió en los años cincuenta fue esto: «No pasó m ucho tiem po hasta que hubo o tro colapso en la confianza: los títulos bursátiles de ظ teoría cuántica de cam - pos se hund ieron en la Bolsa de la física, y com enzó una segunda D epresión, que du- raría al m enos veinte años» (W einberg 1977, p. 30). H abía varias razones para explicar ظ crisis que a m ediados de los cincuenta se m anifestó en un desencanto generalizado de la TCC en la com unidad de física de altas energías, a pesar del éxito brillante de la teoría en QED. Entre ellos, que a unos pocos físicos les disgustaba la "de QED, porque pensaban que estaba basada en una teoría equivocada y p o r tan to no pod ría ser verdaderam ente u n a teoría fundam ental. Se creyó de m anera generalizada

Teorías fandamentaíes 327

que la renorm alización era un truco m atem ático, pero a la mayoría de lo$ jóvenes físi- co$ no le im portaba m ientras que el truco firncionara. El p rim ero entre aquellos a los que sí les im portaba, era D irac, cuyo trabajo en los años veinte y tre in ta había sido esencial para cualquier versión de la QED. D irac creía firm em ente que una teoría que se había despojado de los infinitos p o r procesos de renorm alización era «fea», y por tan to equivocada, a pesar de sus logros instrum entales, © tro veterano de la m ecánica cuántica. Lev Landau, no era m enos crítico: ju n to con un grupo de teóricos rusos, Lan- dau argum entaba que la TCC era sospechosa, ya que la teoría agregó conceptos inobservables, com o la causalidad, los operadores de cam pos locales y la con tinu idad del espacio-tiem po en el nivel m؛crofí$i<:o. En una conferencia en K؛ev en 1959, Landau sugirió re tirar la TCC com o teoría fundam ental, reponiéndola por una teoría basada en cantidades observables, com o am plitudes de dispersión, y po r el concepto de partí- culas de com puestos igualm ente elementales.

La sugerencia radical de Landau fue alim entada por la falta de extensión de la teo- ría de cam pos tipo QED a las interacciones débiles y firertes. La teoría de Fermi de la desintegración beta, así com o la teoría « ٧ - ٨ » que Feynm an y Gell-M ann publicaron en 1958 com o una extensión de la no conservación de la paridad de la teoría de Fermi, fueron com probadas com o no renorm alizables. Tam bién, cuando los físico؟ in ten taron aplicar la TCC al estudio de interacciones fuertes, obtuvieron poco éxito. N o había problem as específicos en form ular TCC de interacciones firertes renorm alizables, pero estas teorías prácticam ente no ten ían n inguna utilidad, ya que no llevaban a predicciones fiables y, p o r consiguiente, efectivas m ás allá de su experim entación. For éstas y otras razones, la TCC estaba en un pun to bajo alrededor de 1960, cuando m uchos fí- sicos estaban dispuestos a seguir la recom endación de Landau y abandonar la teoría. De acuerdo con Dyson, «m ucha gente ahora es pro fundam ente escéptica con respecto a la relevancia de la teoría de cam pos en la física de interacciones fuertes. La teoría de cam pos está a la defensiva con respecto a la m atriz s ahora de m oda». Dyson creía que «es fácil im aginar que en unos pocos años ؛os conceptos de teoría de cam pos desapa- recerán del todo del vocabulario de trabajo diario en la física de altas energías» (PT, junio de 1965, p. 21). W einberg, o tro destacado teórico de cam pos, no era m ás optim ista. En 1964 escribió que «todavía no está claro si la teoría de cam pos continuará ' u n papel en la física de partículas o si finalm ente será suplantada po r

una p u ra teoría de m atriz s» (Cushing 1990, p. 160).La falta de confianza en la TCC, especialm ente con relación a la física de interac-

ciones fírertes, fue agravada p o r la presencia de una teoría alternativa fuerte, la teoría de m atriz s. El cim iento de este tipo de teoría había sido form ulado p o r H eisenberg ya en 1943 en un in ten to de desarrollar una electrodinám ica cuántica relativista sin cantidades infinitas. El p rogram a de H eisenberg de 1943 estaba m odelado consciente- m ente en su m ecánica cuántica de 1925 y, com o esta teoría, basado po r entero en tér- m inos de cantidades observables. C om o tales cantidades, eligió la dispersión o m atriz s representando la transición de u n sistem a físico de u n estado inicial ٠١. a u n estado fí- nal إلءم - De m anera fo rm a l, ؛ا)م = Sf¡ 4 donde el cuadrado de la m لآ atriz de dispersión 5م


daría la probabilidad de transición. Después de la guerra, [٤١ teoría de Heisenberg fue desarrollada p o r C hristian M oller, Ernst Stueckelberg, W alter H eitler y otros, pero en 1950 el program a original en su m ayoría había llegado a u n alto. C on la llegada de la

" de ظ QED, la teoría m atem áticam ente com pleja de Heidelberg no se- guía pareciendo necesaria. En otras palabras, la idea de la m atriz s seguía viva y, desde m ediados de los cincuenta, se fue incorporando en la teoría de interacciones fuertes y se dio a conocer com o «teoría analítica de la m atriz ة ». Algunos físicos, incluidos Cell- M ann, consideraban la teoría de la m atriz s com o com plem entaria a la TCC o una m a- ñera alternativa de form ular u n a teoría cuántica de cam pos de las interacciones fuertes. ?ero o tros teóricos, a p artir de aproxim adam ente 1960, tom aron una posición m ucho m ás radical, y enseguida llegaron a ver la teoría de la m atriz s com o antitética a la TCC. Además, den tro de este grupo de teóricos anticam pos estaba Geoffrey Chew de la Universidad de California, Berkeley. En un discurso de 9ل ل6 , Chew destacó sus ideas de una ru p tu ra de la TCC y anunció una revolución por venir en la física funda- m ental. «La teoría convencional de cam pos», dijo Chew, «es estéril con respecto a las ’ fuertes y [...] com o u n viejo soldado, está destinada no a m orir sino sim-plem ente a desaparecer poco a poco.» (Cushing 1990, p. 143). Dos años después, Chew expresó su creencia usando o tra m etáfora: «La nueva am ante [la teoría de la m atriz S] está llena de m isterios pero de m anera correspondiente llena de prom esas. La antigua am ante [TCC] está pegando zarpazos y arañando para m antener su estatus, pero sus días han pasado» (ibid, p. 175).

La esencia de la teoría de la m atriz s de Chew, tam bién conocida com o teoría ؛ ظ،١٥ - strap («teoría del cordón de zapato» en castellano), se desarrolló de 1961 a 1966. Se puede resum ir com o sigue: al principio, Chew negaba que pudiera haber partículas elem entales en el sentido reduccionista ordinario ; esto es, consideraba que todas las partículas serían, po r igual, com puestas, o, si se quiero, igual de elementales. Esta idea de democracia nuclear incluía la noción de u n m ecanism o de «cordones de zapato», es decir, que todos los hadrones deberían ser autogenerados a partir de la estructura ma- temática de la teoría. ?٠٢ ejemplo, la masa del p ro tón debe de tener el valor que tiene com o ' de la dinám ica de las interacciones. (Este hecho es una rem inis-cencía de otras teorías m uy ambiciosas, com o la de E ddington.) En segundo lugar, la teoría estaba basada directam ente en m om entos de partículas. En un contraste severo con relación a la teoría de cam pos, ignoraba el supuesto concepto metafísico de un con tinuo espacio-tem poral microfísico. A unque la teoría era com pletam ente consistente con la m ecánica cuántica, no operaba con una función ondu lato ria ٠ (x, y, z, t) definida en cada pun to en el espacio-tiem po. En tercer lugar, desde un pun to de vista

■ la teoría de la m atriz s de Chew era tan ambiciosa com o radical. Deacuerdo con ظ hipótesis bootstrap, todas las cantidades físicamente significativas podrían ser derivadas únicam ente desde la m atriz s com o requisitos de autoconsistencia. Las masas, los espines y las masas de las partículas elem entales de interacciones fuertes, así com o el núm ero de dichas partículas, deberían ser fijados po r la teoría m ás que ser asignados em píricam ente. «Los del bootstrap buscan en tender la naturaleza no en té r


m inos de fundam entos sino a través de la autoconsistencia, creyendo que toda la física fluye únicam ente a partir del requisito de que los com ponentes sean consistentes uno con el o tro y consigo m ism os. N ingún com ponente debería ser arbitrario .» (Chew 1970, p. 23). C om o principio, sugirió Chew, una teoría com o la teoría de m atriz S p o dría explicar las leyes de la física com o las únicas leyes posibles. Incluso habló de la teo ría de m atriz S com o «la precursora de una nueva ciencia, tan radicalm ente diferente en espíritu de lo que hem os conocido que resulta indescriptible con el lenguaje existente» (Cushing 1990, p. 180). En cualquier caso, Chew defendía una hipótesis de bootstrap lim itada, esto es, una sólo válida para los hadrones. Negaba que la hipótesis del bootstrap pudiera ser generalizada a la física en un sentido global.

La teoría de m atriz S fue m uy influyente en la física de interacciones fuertes en los años sesenta. Atrajo filosóficam ente a m uchos físicos y consiguió varios éxitos científicos. A unque m uy pocos físicos siguieron a Chew en su cruzada anti-TCC, las ideas generales de la teoría de m atriz S d isfru taron de gran popularidad: G ell-M ann y otros físicos se inspiraron en ella, y contribuyeron a la teoría de m atriz S pero sin suscribir la idea de la dem ocracia nuclear tan obviam ente en conflicto con el concepto de los quarks. Para ellos, no existía ningún conflicto irreconciliable entre la TCC y una versión -m oderada de la teoría de m atriz S. El program a de m atriz S de Chew es un interesante ejem plo de una revolución fallida en la física; a finales de los años sesenta, sobrevivió con problem as y con los desarrollos con éxito de la física de quarks y la teoría de cam pos de gauge en los tem pranos años setenta, el am bicioso program a más o m enos se d isolvió. La teoría de m atriz S era en m uchos aspectos una teoría grandilocuente e im presionante, pero prom etía más de lo que podía ofrecer. Pronto se convirtió en tan desesperanzadam ente com pleja que más de un físico de finales de los sesenta la com paró con la astronom ía de Ptolom eo poco antes de la revolución copernicana. O tro p ro blem a es que la teoría estaba efectivamente lim itada a interacciones fuertes y no decía nada sobre las fuerzas débiles y electrom agnéticas. C om o argum entó un crítico, la teoría de m atriz S «no es consistente con la teoría de cam pos electromagnéticos. Ya que el cam po electrom agnético está involucrado en las propias form as de m edida y de observación, ésta es una lim itación seria» (Stern 1964, p. 43). Al igual que el interés en TCC fue decreciendo en los años cincuenta, tam bién el interés en la teoría de m atriz S fue decreciendo en los años setenta. En ninguno de am bos casos fue resultado de teorías que fueran com probadas com o erróneas, sino más bien en su incapacidad para generar resultados nuevos experim entalm ente relevantes, una incapacidad que en el caso de TCC era tem poral. Es irónico que la com paración de Chew de 1961 de la TCC con un viejo soldado «que está destinado no a m orir sino sim plem ente a desaparecer poco a poco» se validaría, no con respecto a la TCC, sino con respecto a su propia teoría de m atriz S.

Campos de gauge y unificación electrodébil

A principios de los años setenta, la física de altas energías experim entó u n desarrollo to rm entoso que transform ó el objeto de estudio en un estado al que se referían a


veces com o «Ja nueva física». La novedad de la física de a r t ic u la s de Jos setenta estaba basada principalm ente en dos innovaciones teóricas: teorías gauge de cam pos cuánti- eos y crom odinám ica cuántica. M ientras que eJ p rim er tipo de teoría era una teoría de cam pos general con aplicaciones en Jas teorías débiles en particular, la crom odinám i- ca cuántica era una extensión de la teoría de quarks de interacciones fuertes o partícu- las hadrónicas.

El concepto de invariancia de gauge (o escalar) fue propuesto orig inalm ente por H erm án Weyl en su in ten to fallido de 1918 de unificar las teorías de electrodinám ica y relatividad general. C uando irrum pió la m ecánica cuántica, Weyl y o tros reform ularon la idea para significar, explicado en brevedad, que la decisión de fase de una fruición ondu lato ria no afecta a la ecuación ondulatoria. La teoría de Weyl de la invariancia cuántica de gauge apareció en 1929, pero desem peñó un papel m uy lim itado en el desarrollo u lterior de la teoría cuántica. Tuvieron que pasar 25 años hasta que hasta que el concepto se convirtió en un princip io d inám ico potente. En 1954, ¥ang y Robert Mills en el ínstitu te for Advanced Study en Princeton in ten taron constru ir una teoría de cam pos local de gauge invariante en interacciones fuertes, basado en la QED. La teo- ría de Yang-Mills estaba regida por u n princip io de sim etría de gauge que aseguraba que las ecuaciones básicas eran invariantes con respecto a ciertas transform aciones dependientes de su posición y tiem po. Yang y Mills vieron que un triplete de bosones vectoriales pesados (espín 1, paridad positiva) estaba asociado con la teoría, del m ism o m odo que el fotón estaba asociado con la QED. D esgraciadam ente no se conocía ninguna de estas partículas experim entalm ente. Por la estrecha analogía entre la QED y la teoría de Yang-Mills se consideró a los bosones vectoriales com o faltos de m asa jeo - rrespondientes a una fuerza de largo alcance. Teniendo en cuenta que las fuerza*؛ débi- les y firertes eran am bas de corto alcance, no estaba claro a qué área de la naturalizarse " podrían aplicar, si es que era aplicable en algún sitio. La teoría de Yang y Mills fue considerada com o m atem áticam ente interesante, pero con m uy poca o n inguna utilidad física. Se necesitó u n a década hasta que se dieron cuenta que esta teoría «inútil» era, de hecho, de una im portancia esencial para una nueva trad ición teórica de cam pos de gauge destinada a cam biar la física de altas energías.

Ya en el año 1938, en la conferencia de Varsovia, O skar Klein había sugerido que una partícula de espín 1 m ediaba en la desintegración beta y desem peñaba un papel en las im eracciones débiles sim ilar a la del fotón en el electrom agnetism o. La hipótesis de Klein era parte de un in ten to de form ular una teoría de cam pos unificada que inclu- yera fuerzas fuertes, débiles y electrom agnéticas, por usar una term inología posterior.La especulación no fue m uy conocida, pero casi veinte años después, fue retom ada por Schwinger en u n in ten to de producir una teoría unificada de las interacciones débiles y ^ c tro m a g n é tic a s . La teoría tentativa de Schwinger de 1957 incluía la idea de que el fotón y las dos partículas de in tercam bio cargadas de Yang-Mills (W+, W ) eran nfíem- bros de la m ism a familia. C uatro años más tarde, Sheldon Glashow, o tro físico de H u؛ - vard, sugirió una teoría de interacciones débiles de gauge con tres partículas de Ínter- cam bio enorm es. En añad idura a W+Y w~, incluía una partícula neu tra z°. La teoría


de Glashow, y una sim ilar p roducida p o r Abdus Salam y John c . W ard en Inglaterra, describieron las interacciones tan to electrom agnéticas y com o débiles, ظ p rim era con conservación de ظ paridad y la segunda con u n a violación de la conservación de la paridad. Las m asas de los bosones de vector interm edio no se derivaban de la teoría, sino que ftreron elegidas para asegurar la concordancia con el conocim iento 'De hecho, la teoría no era capaz de explicar po r qué los bosones vectoriales, al contrario que el fotón, podían tener m asa alguna.

U na versión m ejorada del m odelo G las^w -S alam -W ard fue desarrollada en 1967, publicada p rim ero por Steven W eiñberg y poco después por Salam, un teórico paquis- tañí que trabajaba en el Im perial College de Londres. La teoría electrodébil de Wein- berg y Salam, ganadora del prem io Nobel, hizo uso de u n concepto conocido com o ru p tu ra de la sim etría espontánea, que orig inalm ente había sido presentado en 1961 en el contexto de la teoría de la superconductividad p o r Yoichiru N am bu y otros. Con la inspiración del trabajo de N am bu, el teórico británico Peter Higgs sugirió en 1964 un m ecanism o po r el cual podrían generarse las masas de la partícula en las teorías de gauge de Yang-Mills. Una sugerencia sim ilar fue realizada de m odo au tónom o p o r Ro- bert B rout y Lran؟ o؛s Englert en Bélgica. W eiñberg y Salam aplicaron el m ecanism o de Higgs para determ inar las masas de partículas en su teoría de gauge de ru p tu ra espon- tánea electrodébil. El artículo de Higgs sobre la ru p tu ra espontánea de sim etría gene- radora de masa, ahora reconocido com o un artículo clave en la física teórica, fue rechazado al princip io po r Physical Letters. Llegó en u n tiem po en el cual la física de partículas estaba m uy dom inada p o r la teoría de la m atriz 5 y la TCC no estaba de m oda. C om o llegó a decir después Higgs, «siendo consciente de que m i artículo se quedaba corto en cuanto a palabrería de vendedor», rehizo el artículo, y lo presentó a Phy- sical Review Letters (H oddeson et al., 1997, p. 508). Esta vez fue aceptado.

En los años setenta, la teoría W einberg-Salam fue reconocida com o una con tribu- ción p ionera al p rogram a de unificación naciente, pero, en sus prim eros años, la teo- ría fue am pliam ente ignorada. Esa falta de im pacto tem prana se ilustra p o r el núm e- ro de citas, expresado aquí en tre paréntesis, del artículo de W eiñberg: 1967 (٠), 1968 (0), 1969 (0), 1970 (1), 1971 (4), 1972 (64), 1973 ( 242 ل62مر 1974 ( ). Las cifras incluyen referencias propias, lo que indica que W eiñberg no encontró su p ropio trabajo especialm ente im po rtan te al principio. El cam bio en su recibim iento en 1972 se reía- cionó con el reconocim iento de que la teoría de W einberg-Salam no era sólo una teoría de gauge electrodébil coherente, sino que tam bién era renorm alizable y, por tanto , com partía con la QED las propiedades deseables de predictib ilidad y calculabi- lidad. Esto fue hecho público p o r p rim era vez en 1971, p o r el físico holandés de 25 años G erardus t ’H ooft, que p robó que u n a clase am plia de teorías sim étricas de gauge (no abelianas), a las cuales pertenecía la teoría electrodébil, eran renorm alizables. O tra versión de la p rueba fure p roducida poco después po r Benjam in Lee, un físico coreano-estadounidense. Las pruebas de t’H ooft y Lee fueron extrem adam ente im - portan tes. Sólo entonces la teoría de W einberg-Salam se convirtió en una teoría aplicable y, m ás en general, las teorías de cam po de gauge fueron reconocidas com o p ro


fundas teorías de interacciones. C om o expresd en u n artículo el físico Sidney Colé- m an sobre los prem ios Nobel entregados a (ilashow, W einberg y Salam, el artículo de t ’H ooft «revelaba la rana de W einberg y Salam com o un príncipe encantado» (Scien- ce, 14 de diciem bre de 1979). La revolucidn del cam po de gauge que com enzó en 1971 alum bró de nuevo a la TCC.

La teoría de W einberg-Salam era renorm alizable y teóricam ente atractiva, pero ¿era tam bién correcta en el sentido de ser coherente con ios experim entos? C om o el m odelo an terio r de Glashow, la teoría predecía u n socio enorm e y neu tro del fo tón que me- diaria en interacciones débiles sin transiciones de carga entre partículas en tran tes y salientes. Tales procesos de «corriente neutra», con participación de la hipotética z° ôm o partícula !mensajera, distinguían el m odelo unificado de W einberg-Salam de teo- rías anteriores de interacciones débiles. H asta que se establecieron ' las corrientes neutras, la teoría W einberg-Salam no podía ser considerada com o una teoría em píricam ente satisfactoria. Ambas corrientes neutras fueron sem bradas en los Estados Unidos (Fermilab) y en Europa (CF.RN). En el verano de 1973, los experimenta- dores del CERN anunciaron su descubrim iento de la corriente neutra débii, basada en el anáiisis de procesos entre neutrones y neutrínos. El instrum ento crucial en el éxito del CERN fue «G argam elle», una cám ara de b u rb u jas de construcción francesa de 20 toneladas. Los resultados del CERN fueron confirm ados finalm ente po r experim entos de neutrinos realizados en el Ferm ilab en 1974, aunque la confirm ación no llegó de m anera fácil. Existía una duda considerable con respecto a los resultados y, duran te un tiem po, los físicos estadounidenses - y con ellos la m ayoría de los físicos de altas ener- g ías- creían que las corrientes neutras no existían y que los físicos del CERN se habían equivocado. Sin em bargo, en verano de 1974, las incertidum bres habían desaparecido y desde entonces las corrientes neutras se consolidaron de m anera fírme. El descubrí- m iento de corrientes neutras llevó a la confirm ación de ط teoría de gauge de W einberg- Salam de 1967

La teoría de W einberg-Salam era una teoría de interacciones electrodébiles y a tra- vés del m odelo del quark, tenía una relación obvia con las interacciones firertes. Al principio, desde más o m enos 1967 a 1974, parecía que ؛os cuatro leptones (e, v e, إل,اررأ ) se correspondían con los cuatro quarks (u, d, s, c) de acuerdo con lo que se esperaría de un pun to de vista unificador. En 1974, M artin Perl y sus colaboradores analizaron sus datos de colisiones e lectrón-positrón recopilados en el SPEAR, el anillo de almace- naje de electrón-positrón, o colisionador, recientem ente term inado en el Stanford Li- near Accelerator C enter (SLAC). El grupo de Stanford encontró evidencias de una nueva partícula, posiblem ente u n leptón superpesado (tau, t ) , producido en pares y que se desintegra en m uones o electrones (e+ e —> T + T " |،r |i.+ VT V~T اأاا إما ) . Los datos analizados p o r Perl y su grupo no fueron aceptados inm ediatam ente com o prueba de un leptón T y ya final de 1975, Perl y sus 35 colaboradores escribieron precavidos que «no tenían una explicación convencional» para los datos; com o explicación no convencional, sugirieron «la producción y desintegración de u n par de nuevas partículas, cada una con una m asa entre 1,6 y 2,0 GeV/c2» (C ahn y G oldhaber 1989, p. 300). Sa

Teorías fundamentaíes 333

bían que habían descubierto algo nuevo, pero no estaban seguros de lo que era. C om o indicativo de su incertidum bre, a veces se referían a la nueva partícula com o u, por «desconocida» (del inglés unknow n). (De form a incidental, 40 años antes, Yukawa in- trodu jo o tra partícu la u, denom inada posterio rm ente pión.) 1.a confusión term inó un año después con una serie de experim entos en el PETIZA (Positron-Electron Tándem Ring Accelerator) de H am burgo, parte de la instalación de altas energías DESY (Deuts- ches E lektronen Synchrotron). Los experim entos alem anes confirm aron los resultados de Stanford, y sirvieron de p rueba final de la existencia de u n leptón m uy pesado, 1,8 GeV y con un tiem po de vida de 10-13 segundos, Se dio por supuesto al neu trino tau acom pañante p o r más que detectado. La aceptación del leptón tau (o tauón) implica- ba que la sim etría entre quarks y leptones - o entre interacciones fuertes y débiles- ya no se satisfacía. Se necesitaban dos nuevos sabores de quarks y, com o verem os enseguida, después se encontraron. A finales de los años setenta, la crom odinám ica cuán- tica y la TCC se asociaron de m anera cercana a la teoría electrodébil·. N aturalm ente ahora el reto era repetir los éxitos de la QED y extender la teoría electrodébil de Wein- berg-Salam al reino de las interacciones fuertes (véase capítulo 27).

٩١ su reseña de 1979, antes m encionada, C olem an describió el desarrollo de la te©- ríajííectrodébil a lo largo de los años setenta del siguiente m odo:

En 1973, los experim entos del CERN y Ferm ilab detec taron procesos con corrientes

neu tras [...] con u n a fo rm a y m ag n itu d consistentes con la teoría. Los cinco años si-

guientes fueron u n periodo confuso de euforia y desencantos, alarm as y excursiones. U n

experim ento confirm aba la teoría; o tros experim entos negaban la teoría. U n esfiierzo

teórico enorm e se dedicó a p roduc ir versiones m utan tes grotescas de la teoría concor-

dantes con los nuevos resultados experim entales; los nuevos experim entos se v ieron que

estaban equivocados; los m utan tes fueron decapitados. En los siguientes años, sin em -

bargo, la situación experim ental parece ،]ue se había estabilizado de acuerdo con la ver-

sión orig inal de 1971 de la teoría. El m odelo de W einberg-Salam es aho ra la teoría es-

tán d ar de las interacciones débiles.

Los «m utantes» m encionados p o r C olem an se referían a las teorías designadas a explicar anom alías que no podrían en princip io estar de acuerdo con la teoría W einberg-Sa- lam.

El éxito de la teoría electrodébil era incom pleto en tan to que los tres «weakons» - lo s bosones vectoriales in te rm ed io s- eran todavía partículas hipotéticas. Esta sitúa- ción cam bió a princip ios de los ochenta, cuando los nuevos colisionadores p ro tón - an tip ro tó n del CERN y Ferm ilab ya p roducían las energías necesarias para generar las enorm es partículas. El experim ento del CERN era de coste relativam ente bajo, basado en una tecnología que hacía uso de instalaciones existentes para alm acenaje de an- tip ro tones en un anillo y haciéndoles colisionar con p ro tones en el m ism o anillo. El colisionador del CERN em pezó a p roducir colisiones en verano de 1981 y, en o toño de 1982, aparecieron las prim eras evidencias de partículas w enorm es. El 21 de ene


ro de 1983, los ؛ísico$ del CERN anunciaron que habían encon trado diez candidatos de partículas \'V que se desin tegran en u n electrón y en un neu trino . La m asa W se vio que era a lrededor de 80 CeV, de acuerdo con la teoría. M edio año después, la partí- cula z fue detectada a través de su desintegración en e+ e~ y ( ال لر ■, y le fue asignada una m asa de unos 95 CeV. N inguno de estos descubrim ientos resu ltaron ser grandes sorpresas. Fueron ráp idam ente confirm ados en experim entos sucesivos en el CERN y Ferm ilab, y los físicos del CERN Cario R ubbia y Sim ón van der M eer fueron veloz- m en te galardonados con el p rem io N obel de 1984 p o r el descubrim iento . El italiano R ubbia era la fuerza m o to ra detrás del p rogram a experim ental y el p ionero del colisionador p ro tó n -an tip ro tó n ; la tecnología esencial de p roducción de proyectiles en rayos concentrados fue desarrollada p o r Van der Meer, un técnico físico holandés. Ha- bía, p o r supuesto, m uchos más físicos involucrados en el descubrim iento que los dos ganadores del prem io. La escala de la física de altas energías se ilustra p o r el hecho de que los dos artículos del descubrim iento (uno de cada uno de los grupos det¿؛ctores denom inados UA1 y UA2) fueron firm ados p o r no m enos de 126 físicos de once íns-

C om o se m encionó en el capítulo 21, en 1964 G ell-M ann y Zweig propusieron que los hadrones (partículas fuertem ente in teractuantes) consistían en partículas fraccionalm ente cargadas llam adas quarks. A m ediados de los años sesenta, el m odelo de los quarks no llam aba m ucho la atención, y le llevó casi u n a década llegar a ocupar una posición central en la física de interacciones fuertes. Los experim entos desarrollados1967 por físicos del SLAC y del M IT con la dispersión inelástica de electrones en pr tones dieron resultados que confundieron a los teóricos, hasta que Feynm an ínterpre- tó las secciones eficaces de dispersión inusual com o u n a señal de que el p ro tó n conte- nía centros de dispersión de tipo puntual. Feynm an, que publicó po r prim era vez su teoría en 1972, sugirió que el p ro tón , al igual que otros hadrones, estaba form ado por una niebla indefinida de partículas duras de tipo pun tua l a las que llam ó partones. En colisiones de alta velocidad, los partones esencialm ente actuarían com o partículas independientes. El m odelo de partones de Feynm an proveía u n m arco adecuado para entender m uchos experim entos y enseguida fue ؛unp líam ente aceptado. M uchos físicos tendieron a identificar los partones con los quarks, y a no tener en cuenta las diferencias considerables que existían entre las descripciones de am bos hadrones. Por ejemplo, m ientras que los quarks estaban estrecham ente entrelazados entre los hadrones, los partones de Feynm an eran en esencia entidades libres. La hipótesis partó n = quark re- cibió apoyo en 1971, cuando los experim entos en el SLAC fueron in terpretados en tér- m inos de partones con un espín de un m edio. Un apoyo aun m ayor vino de los experim entos de dispersión de n eu trin o -p ro tó n del CERN, donde la nueva cám ara de burbu jas Gargamelle p rodujo evidencias convincentes para el m odelos de los partones. Los resultados publicados p o r el g rupo Gargamelle en 1975 ل973س se aceptaron gene-

tituciones diferentes.

La cromodinámica cuántica


raím ente com o prueba de que los partones eran quarks fraccionalm ente cargados, una conclusión que tam bién estaba apoyada po r experim entos con reacciones de hadrones.

U n apoyo m ayor para el m odelo de partones llegó de la m ano de los desarrollos en la teoría. En 1973, los teóricos estadounidenses D avid Politzer, Frank W ilczek y David Gross descubrieron que las teorías de cam po de gauge de tipo Yang-Mills eran «asin- tó ticam ente libres», queriendo decir que en distancias m uy cortas (o ante energías m uy altas), la fuerza gradualm ente se am inoraría y tendería asintóticam ente hacia cero. Este resultado im portan te explicaba cóm o el m odelo de Feynm an con los partones libres podría ser tan exitoso: concordaba con todos los hechos conocidos de la física de hadrones y hacía posible cálculos detallados. En general, la libertad asintótica dio un apoyo fuerte a la validación de la TCC y allanó el cam ino para la teoría de quarks de cam po de gauge. En el m odelo de quarks original, el quark estaba caracterizado p o r el núm ero cuántico «sabor», que podría ser tan to u, d o b ien s. Q ue era deseable un segundo núm ero cuántico fue sugerido más adelante en 1964 por O scar Greenberg, de la Universidad de M aryland. Greenberg apun tó que la com posición quárkica de algunas partículas elem entales, tales com o Q“(sss), no se adecuaba al princip io de Pauli si

tres quarks eran idénticos. Su sugerencia fue desarrollada el año siguiente por N am - y otros teóricos de gauge. De acuerdo con N am bu, los quarks llevaban u n «color»

adem ás del sabor, p o r lo que cada sabor de quark se relacionaba con tres colores («rojo», «verde» y «azul»). El color se veía com o una analogía de la carga eléctrica, pero no se esperaba que tuviera ninguna relevancia en los hadrones conocidos, los cuales eran considerados com o incoloros. Por esta razón, el color quárkico fue p o r una tem porada considerado sólo de interés teórico. Los experim entos de principios de los años setenta m ostraron , sin em bargo, que éste no era el caso. Los experim entos indicaron que el color sí existía y que los quarks coloreados estaban cargados fraccionalm ente del m ism o m odo que los quarks de sabores.

El estatus de la crom odinám ica cuántica - la teoría de cam po de gauge de in teracciones fuertes- cam bió drásticam ente en o toño de 1974, en u n tiem po en que el té rm ino crom odinám ica cuántica y su acrónim o CDC (en inglés QCD, en analogía con QED), no habían sido acuñados aún. (Los nom bres parece que fueron propuestos po r Gell- M ann y aparecieron p o r prim era vez en 1978.) El 11 de noviem bre de 1974 dos grupos de físicos estadounidenses anunciaron que habían descubierto una partícula elemental altam ente inusual, que fue considerada com o una m anifestación del sabor quárkico «charm» o encanto. Q ue tal sabor debería existir había sido sugerido por Glashow y Jam es Bjorken poco después del desarrollo de la teoría original de quarks de G ell-M ann y Zweig. El quark encantado tendría dos tercios de la carga eléctrica del positrón, y m ientras que el encanto (com o la extrañeza) se conservaría en interacciones fuertes y electrom agnéticas, no se conservaría en interacciones débiles. En cualquier caso, la h ipótesis Glashow-Bjorken fúe ignorada duran te varios años porque no tenía apoyo experim ental. El descubrim iento de los quarks encantados en la «revolución de noviem bre» no solo confirm ó la teoría de los quarks, sino que tam bién significó un gran triunfo para la teoría de gauge en general y la crom odinám ica cuántica en particular.


Los datos sobre la aniquilación electrón-positrón de 1972-1973 no se correspondían con las expectativas teóricas y fueron vistas am pliam ente com o una am enaza contra el m odelo partón-quark . Pero esta situación incóm oda cam bió de form a abrupta, de un fracaso am enazante a u n total éxito, cuando la partícula J/ip fue descubierta en n o viem bre de 1974. La partícula fue detectada en unos experim entos de colisión p ro tón - núcleos en Brocaban p o r un grupo liderado p o r Samuel Ting y, en experim entos de colisión electrón-positrón en el SPEAR de Stanford, p o r un g rupo liderado p o r B urton Richter. El grupo de Ting ya tenía evidencias del m esón pesado desde hacía varios m eses, pero no estaba seguro de si la p rueba era real o debida a algún artificio. Sólo cuan do Ting oyó hablar de los resultados del SPEAR, se dio cuenta de que había realizado un descubrim iento. Ting y Richter com partieron el prem io Nobel de 1976 po r el descubrim iento de la partícu la que Ting llam ó J y Richter 4؛, por tan to norm alm ente se la conoce p o r el nom bre com puesto JA|j. La partícula tenía un tiem po de vida inusualm ente largo y, con una m asa de 3,1 GeV (tres veces la de un p ro tón ), inusualm ente grande. Estaba producida p o r los cuantos gam m a de la aniquilación electrón-positrón y se desintegraba en hadrones. Unas pocas sem anas m ás tarde, otro nuevo vector m esón (4 0 de m asa 3,7 GeV fue descubierto y o tras partículas enorm es y de larga vida pertenecientes a la m ism a familia le siguieron du ran te los siguientes años. La razón por la cual se consideraba de tan ta im portancia a J/<|s era que ella y las otras partículas n u e vas eran percibidas com o m anifestaciones de un nuevo sabor quárkico llam ado encanto. Por ejem plo, la J/4؛ se veía com o u n a com binación de un q u ark con encanto y su an tiq u ark . Para explicarlo con brevedad, el encan to fue descub ierto en la revolución de nov iem bre y el d escubrim ien to conv irtió la cro m o d in ám ica cuán tica y el m odelo quárk ico en realidad. Se sum ó al d escub rim ien to de quarks (confinados) com o constituyentes reales de hadrones. La existencia de encanto fue co rroborada más tarde cuando se descubrieron los m esones D en 1976; éstos se in terpretaron c o m o -e s^ tados de encanto desnudo, esto es, com binaciones de quarks «ordinarios» (d) y quarks encanto. La inm ensa m ayoría de físicos concluyó que los quarks habían sido descubiertos com o partículas reales, no com o m eros objetos m atem áticos. M uy pocos escucharon a los que quedaban abogando p o r la dem ocracia nuclear y aun m enos al envejecido Heisenberg, que en los años setenta sostenía que una teoría unificada debía estar basada en las sim etrías subyacentes de las ecuaciones, m ás que en la noción de p a rtículas elementales.

En 1976, se reconocía la existencia de cuatro tipos de quark: u, d, s y c. Con el descubrim iento del lep tón tau y el reconocim iento de que pertenecía a una «tercera generación» de partículas fundam entales, la sim etría quark-lep tón se rom pió una vez más. Para poder restaurarla harían falta dos nuevos sabores de quarks. U no de los sabores deseados se p rodujo enseguida. En 1977, León Lederm an, de la U niversidad de Co- lum bia, anunció que su grupo en el Ferm ilab había encontrado en aniquilaciones de | i+ ٣ evidencia de una partícula m uy pesada de m asa 9,5 GeV (casi diez veces la masa del p ro tón ). La partícula, llam ada ypsilón, se vio com o una m anifestación de un q u in to sabor quárkico. Así com o los experim entos de 1974 se in terp retaron com o un des-


cubrim iento de los quarks encanto, tam bién en el experim ento de 1977 se vio com o el descubrim iento del quark b (b p o r bottom, «inferior», o beauty, «belleza») con carga eléctrica -1 /3 . La com posición del quark ypsilón se in terpretó com o b b . El sexto y ú ltim o quark, el quark t ( t po r top o «superior», o «truth», verdad) no apareció en los experim entos hasta m uchos años después, pero a pesar de la falta de evidencia experim ental, se asum ía en general com o existente. En 1980, el núm ero de quarks aceptados se había increm entado a seis (u, d, s, c, b y t), correspondientes a los seis leptones (tabla 22.1). Para com pletar la historia, u n grupo de físicos del Fermilab al final descubrió el quark top en 1995. La masa extrem adam ente grande de este quark, m edida en el experim ento com o de 176 GeV, coincidía con la teoría y el descubrim iento fue, po r tanto, un éxito más de la crom odinám ica cuántica y de la teoría electrodébil.

C on el descubrim iento de los nuevos m esones y quarks, la crom odinám ica cuán tica vino a dom inar la física de interacciones fuertes. De acuerdo con esta teoría, los hadrones consistían no solo en quarks, sino tam bién en los «gluones» sin masa, que m an tenían jun tos a los quarks. C om o entidades teóricas, los gluones eran estudiados desde 1 7 cuando algunos físicos in ,؛?1 terp re taron la prueba de partones neutros com o el pegam ento que sujetaba a los quarks fraccionalm ente cargados jun tos den tro de los hadrones. Los gluones adquirieron una m edida de realidad en 1979, cuando los experim entos en el nuevo anillo de alm acenam iento del PETRA identificaron «eventos de tres chorros» que fueron in terpretados com o interacciones entre quarks y gluones. Se

TABLA 22.1Partículas fundam entales conocidas alrededor de 1995

Nom bre(s) Símbolo Carga eléctrica (e) Masa en reposo (M eV)

Q uarks

up u +2/3 360

down d -1 /3 360

extraños s -1 /3 540

encantoء

+2/3 1.500

bottom b -1 /3 5.000

top ء +2/3 176.000

Leptones

electrón ١-ء 0,51

m uón ٣ -1 107

tauón T - i 1.784

neutrino electrónico 0 0

neutrino muónico ■·٣

0 0neutrino tauónico

٠V 0 0

Nota: No se incluyen fas antipartículas.


suponía que los electrones y positrones colisionadores iban a reaccionar de acuerdo con el esquem a e~ e+ —> qqg, donde la g denota un gluón. A unque los físicos europeos subrayaban que no habían «descubierto» realm ente los gluones, así es com o fueron in terpretados los experim entos en general po r la prensa, y no sin la ayuda de los físicos estadounidenses. La situación hizo que la publicación britán ica New Scientist se p reguntara: «la p rueba [de la existencia de gluonesj es, po r tanto , débil, ¿entonces, po r qué a estos resultados se les ha dado tan ta im portancia, sobre todo en los Estados Unidos?». La respuesta en la revista era ésta: «La única conclusión parece ser que los físicos de partículas estadounidenses in ten tan por todos los m edios m antener el im pulso de los fondos federales para su costosa form a de experim entación. La batalla está en la siguiente generación de aceleradores, para conseguir energías m ás altas, p o r lo que los físicos necesitan dem ostrar que el gasto fu turo es una buena inversión» (Pickering 1984a, p. 344). Sin em bargo, el descubrim iento p robó ser real y consistente; a finales de 1979, o tros experim entos en el PETRA y en otros laboratorios confirm aron la in terpretación, y, en general, la detección del guión fue finalm ente aceptada.

C AP ÍTU LO 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 partícu- fio 1917 podría celebrarse com o el del nacim iento de la cosm ología racional. £1 científico de toda la am plitud del universo se apoyó en una nueva estructura

cuando £instein sugirió sus ecuaciones de cam po cosmológicas basadas en su teoría general de la relatividad, recientem ente propuesta. £1 títu lo del trabajo p ionero de £ inste؛n, publicado en el Proceedings م/ ءءلمء Prusian Academy o f Sciences en el ecuador de la P rim era G uerra M undial, fue «Consideraciones cosm ológicas concernientes a la teo- ría general de la relatividad». O cho años más tarde, el trabajo de £ instein todavía se consideraba com o el cim iento de la cosm ología científica.

C uando £instein publicó su teoría, el conocim iento observacional de las estadísti- cas y el m ovim iento de las galaxias era exiguo, y la separación entre la cosm ología te- órica y observacional, abismal. A unque las prim eras m edidas de recesión galáctica se re- m ontan a 1912, y algunos astrónom os en los años veinte intuyeron una relación entre la distancia y la velocidad recesional, en general las observaciones no desem 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 principal problem a que ocupaba a los cosm ólogos teóricos tenía que ver con la com paración entre los dos m o- délos estáticos que satisfacían las ecuaciones de cam po. Según el m odelo de £ inste؛n, el universo era cerrado, m ientras que era abierto e infinito (pero sin m asa) de acuerdo con el m odelo sugerido en 1917 po r W illem de Sitter en los Países Bajos. No fue hasta 1930, después de que Edwin Hubble estableciera que las galaxias se separan con una velocidad proporcional 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 portante pun to de vista ya había llegado el belga Georges Lemaítre en 1927, y la teoría fue argum entada por el ruso Alexander Friedm ann ya en 1922. Los trabajos de Fríedm ann y Lem aítre fueron ignorados hasta


que se redescubrieron en 1930. D urante las dos décadas siguientes, la m ayoría de as- trónom os y físicos aceptaban que el universo estaba en expansión, de acuerdo con los datos de H ubble y las soluciones de Friedm ann-Lem aitre de las ecuaciones relativistas de cam po. £ ١ m odelo cosm ológico más popu lar probablem ente fuera el m odelo de L ro ^ tre -£ d d in g to n , según el cual el universo com enzó su expansión a partir de u n estado estático, com o el propuesto p o r F؛nstc‘in, hace un tiem po infinito, © tro m odelo evolucionista fue sugerido p o r Lemaitre en 1931, a saber, que la expansión com enzó a p artir de un «átom o prim igenio» y, po r tanto , al universo se le podría adscribir una edad definida. £l p rim er m odelo de big bang (gran explosión) fue recibido con frial- dad al principio, pero a finales de los trein ta, la idea general de u n universo evolutivo de edad finita descrito por las leyes de ظ relatividad general ganaba respeto de m odo creciente, fo s cim ientos relativistas no fueron aceptados p o r todos los especialistas, a pesar de todo, y existían num erosas teorías rivales, de las cuales la alternativa de £d- w ard M ilne fue la m ás debatida (véase capítulo زوا .

Los cosm ólogos del periodo de entreguerras no tenían una identidad profesional. C onsistían en una mezcla irregular de m atem áticos, físicos teóricos, astrónom os y quí- m icos físicos que se dedicaban a tiem po parcial a los problem as cósmicos. A unque los aspectos físicos del universo desem peñaron un papel secundario respecto a los aspee- tos geom étricos o los espacio-tem porales, las consideraciones de los procesos físicos no estaban ausentes del todo: p o r ejemplo, en una serie de artículos publicados entre 1928 y 1933, el fisicoquím ico y especialista en relatividad estadounidense Richard Tolman investigó la term odinám ica de los universos tan to estáticos com o en expansióju-¥a en 1922, Tolm an había estudiado el equilibrio entre hidrógeno y helio, en un intento in- fructuoso de explicar las relativas abundancias de los dos elem entos. La física cuántica en tró p o r prim era vez en la cosm ología, aunque de una m anera vaga y especulativa, con la breve nota de Leniaítre en 1931 sobre la teoría del big bang titu lada significativam ente «£l principio del m undo desde el p u n to de vista de la teoría cuántica». £1 fí- sico belga describió el universo original com o «un cuanto único» en el cual se dio «un tipo de proceso superradiactivo» con la p roducción de elem entos súper pesados y radiactivos com o resultado. Sugirió que las partículas em itidas por los hipotéticos supe- rátom os estarían aún entre nosotros en form a de rayos cósmicos. Las especulaciones de Lem aitre eran audaces, visionarias y poéticas; desdichadam ente estaban tam bién 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 una ram a de la ciencia física tuvo sus com ienzos a finales de los años trein ta, cuando unos pocos físi- eos nucleares se interesaron p o r problem as astrofísicos tales com o la producción de energía estelar y la abundancia de d istribución de los elem entos.

La astrofísica nuclear fue dando sus pasos pioneros a finales de los años veinte de la m ano de A tkinson, H outerm ans y Gamow; el subeam po obtuvo su p rim er éxito arro- llador con la celebrada teoría de Bethe de 1938-1939 (véase capítulo 12). £1 trabajo de Bethe era una teoría de producción de energía estelar, no de form ación de elem entos, y por esta razón no se consideró directam ente relevante para la cosmología. La p rim e

La cosmología y el renacimiento de la relatividad 341

ra teoría nuclear-cosm ológica fue incluida en la teoría deV on W eizsacker de 1938, una versión m ás prim itiva de la teoría algo m ás tard ía de Bethe. Von W eizsacker desarrolló grandiosam ente el p rogram a nuclear-arqueológico -e s to es, el in ten to de reconstru ir ط h istoria del universo a través de los hipotéticos procesos nucleares y verificarlos por el m odelo resultante de abundancias de elem entos o, com o expresó en el Physikalische Zeitschrift, «dibujar desde la frecuencia de d istribución de los elem entos conclusiones de un estado prim itivo del universo en el cual esta distribución haya podido originar- se»-. Según Von Weizsacker: «£$ bastante posible que la conclusión de la form ación de los elem entos tom ara lugar antes del origen de las estrellas, en un estado del universo significativam ente diferente al de hoy, [y con] una tem pera tu ra de u n orden de m ag- n itu d de ط cual se derivaría la transform ación com pleta de la energía de enlace nuclear en calor [aproxim adam ente 2 X 10؛' K]. La densidad que lo acom paña está, de for- m a similar, tam bién en el en to rno de la densidad del núcleo» (Kragh 1996b, p. 98). La descripción de Von W eizsácker era, po r tanto , la de un universo del big bang. A unque estaba desarrollado de m anera independiente, su m odelo tenía m ucho en com ún con ظ hipótesis del á tom o prim igenio de Lemaítre.

El p rogram a iniciado por Von Weizsácker fue continuado independientem ente por G am ow hacia u n m odelo del universo tem prano de cim iento físico-nuclear. Es notable que ni Gamow, ni Bethe, ni Von Weizsácker tuvieran n inguna form ación sólida en astronom ía. C onfiados en el poder de la teoría nuclear y cuántica, en traron en el cam - po com o físicos y frieron aprendiendo la astronom ía necesaria a lo largo del cam ino. En 1939, G am ow subió el peldaño desde las estrellas hasta el universo, dándole vueltas a la noción de u n universo del big bang pero todavía sin saber cóm o se habían form a- do los elem entos desde el estado hipotético del hidrógeno prim igenio. El problem a era reproducir una distribución de elem entos que se correspondiera con lo que se conocía de m odo em pírico, que en la época eran los datos publicados po 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 tro meses antes de que los Estados U nidos declararan la guerra contra Japón, Alem ania e Ita lia - G am ow y otros físicos estadounidenses llegaron a ط con- clusión de que un universo del big bang era necesario para considerar de m odo cualitativo los datos de G oldschm idt de los elem entos m ás pesados. De acuerdo con el inform e de la conferencia, «los elem entos se orig inaron en un proceso de carácter explosivo, el cual tom ó lugar “en el com ienzo del tiem po” y resultó en ط expansión presente del universo» (Kragh 1996b, p. 105).

El m odelo del big bang estaba ganando im pulso y su fúerza m otriz era la física nuclear. A hora se daban cuenta, entre un pequeño g rupo de físicos y astrónom os, de que la m ateria b ru ta del m undo actual era probablem ente el resultado de lo que pasó en un estadio prim itivo altam ente com prim ido y caliente hace dos m il m illones de años (el tiem po com únm ente aceptado en la época de H ubble, apenas la edad del universo). Éste fue u n cam bio conceptual enorm e, pero en aquella época no provocó n ingún titu lar de prensa: no sólo se estaba desarrollando una guerra, sino que la conclusión tam bién era provisional y especulativa. Lo que le faltaba para poder desarrollarse en


una cosmología grande y adecuada del big bang era una conexión entre la física nuclear del universo tem prano y los m odelos relativistas de la evolución cosmológica. D urante la Segunda G uerra M undial, tales problem as esotéricos disponían de una prioridad baja, pero poco después del fina) de la guerra, G am ow convirtió el problem a en algo prom etedor. El 24 de octubre de 1945, G am ow felicitó a Bohr en su 60.° cum pleaños. «[Estoy] estudiando el problem a del origen de los elem entos en las prim eras etapas del universo en expansión», dijo G am ow a Bohr. «Esto supone reun ir las fórm ulas reiati- vistas de la expansión con las razones de las reacciones term onucleares y de fisión. Un pun to interesante es que el periodo de tiem po duran te el cual tuvo lugar ط fisión original (tal com o fue estim ado a p a rtir de las fórm ulas de la expansión relativista) debió de haber sido m enor que un m ilisegundo, m ientras que apenas una décim a de según- do estaba disponible para que se estableciera el ulterior equilibrio (dehaberlo) entre los diferentes nócleos más ligeros» (Kragh 1996b, p. 106).

f a nueva aproxim ación de Gamow, tal com o fue presentada en 1946, estaba basada en una descripción del universo tem prano consistente en u n gas de neutrones relativa- m ente ؛río y en expansión, de acuerdo con las ecuaciones de Friedm ann-Lem aítre. En 1948 desarrolló una versión m uy m ejorada, p rín c ip em en te en colaboración con su doctorando Ralph Alpher, al hacer uso de nuevos datos en las tasas de reacción de secciones eficaces de captura de neutrones, datos que no habían sido clasificados hasta entonces. El universo prim itivo se describía ahora com o un gas de neutrones caliente y altam ente com prim ido que, de alguna m anera, em pezó a expandirse desintegrándose en protones y electrones. Algunos de los protones se com binarían con los neutrones que quedaran para form ar deuteronesy , a partir de estos núcleos, los elem entos m áspesa- dos se supone que serían sintetizados p o r capturas de neutrones sucesivas y desintegraciones beta. Ni en esta versión ni en las posteriores, in ten tó G am ow contestar la pregunta de qué causó la explosión o la desintegración inicial de los neutrinos hace dos mil millones de años. G am ow y A lpher querían evitar preguntas sobre el origen del universo y sim plem ente dieron por buenas las condiciones iniciales. C onsideraban el princi- pió d e í = 0 №٥١٥ ajeno al reino de la física y, po r esta razón, nunca usaron el térm ino «big bang» para su teoría.

Fosteriorm ente, en 1948, G am ow y A lpher com probaron que el universo prim igenio, con una tem pera tu ra en to rn o a los ل0و K, debía de estar dom inado p o r la radia- ción más que p o r la m ateria. Esto afectaba a los detalles de los cálculos y, lo que es más im portan te , llevó a A lpher y a su colaborador R obert H erm án a concluir que los restos fósiles de la radiación prim ord ia l enfriada todavía debían de estar entre nosotros. En un artículo breve de 1948, calcularon la tem pera tu ra actual de fondo del universo en 5 K. Gamow, A lpher y H erm án inform aron de ظ predicción de una radiación cós- m ica de fondo en siete ocasiones entre 1948 y 1956, pero, a pesar de ser tan conocidos, su resultado no atrajo para nada la atención; curiosam ente, la predicción fue ignorada y finalm ente olvidada, hasta que fue restaurada a m ediados de los años sesenta, en una época en que G am ow y sus dos asociados ya no estaban en activo en la investigación cosmológica. De la m ism a m anera, el m odelo de G am ow del universo continuó sien

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do desarrollado y refinado, principalm ente por A lpher y H erm án, pero tam bién con aportaciones ocasionales de otros físicos nucleares, incluyendo algunos tan notables com o Ferm i o W igner. La asunción original de un universo inicial com puesto única- m ente de neutrones se convirtió en insostenible, com o fue argum entado en p rim er lugar p o r el físico japonés C hushiro Hayashi en 1950. De acuerdo con Hayashi, los procesos nucleares distintos de la desintegración del n eu tró n deberían tom arse en cuenta, lo que le hizo sugerir que el universo m ás tem prano consistía en una mezcla de protones, neutrones y fotones. A p artir de esta prem isa, Hayashi realizó u n cálculo aproxi- m ado de la d istribución existente entre hidrógeno y helio, con resultados m uy concor- dantes con los datos de observación m ás bien inciertos que existían en la época. Un m odelo aún m ás refinado fne desarrollado p o r Alpher, H erm án y James Follín en 1953, en u n artículo que m arcó el cénit de la teoría clásica del big bang. H aciendo uso de los avances más recientes de la teoría nuclear y de partículas, los tres físicos realizaron un análisis detallado y exhaustivo del universo tem prano, em pezando en un tiem po de 10"4 segundos después de la explosión inicial, cuando la tem pera tu ra era de aproxim a- dam ente 1012 K. F.ntre los resultados obtenidos p o r Alpher, H erm án y Follin había la de u n porcentaje de peso presente de helio de un 32 p o r 100 aproxim ado, una cifra que casaba razonablem ente bien con la estim ada a p artir de los datos espectroscópicos.

A pesar de los avances im presionantes realizados en la teoría del big bangentre 1948 y 1953, la teoría fue infructuosa a la ho ra de atraer interés y fue abandonada defacto du ran te más de u n a década. ¿For qué esta teoría, esencialm ente correcta, com o la ve- m os ahora, fue desechada hasta m ediados de los años sesenta? U na teoría tan grandiosa com o la cosm ología de G am ow -A lpher naturalm ente tuvo que encarar problem as, entre los cuales estaba el de su aparente incapacidad para tener en cuenta la form ación de las galaxias y, lo que es m ás grave, su fracaso en explicar la form ación de los ele- m entos m ás pesados. ?a ra constru ir elem entos más pesados que el helio, tenía que encontrarse algún tipo de puente entre la !}recha de los núm eros másicos 5 y 8 (en los que no existe núcleo). El problem a era que, a pesar de realizar m uchos intentos, no se en- contró n inguna solución satisfactoria -e s to es, una correspondiente a las condiciones físicas del universo tem p ran o -. £1 fracaso parecía im plicar que las razones originales de la teoría de Gamow, la form ación cósm ica de elem entos, debían ser abandonadas. For o tra parte, el fracaso no llegó a constitu ir una refutación de la teoría, p o r lo que era bastante posible asum ir que, aunque el helio se p rodu jera de m anera cosmológica, los otros elem entos fueran los resultados posteriores de reacciones nucleares en el ؛٦! - terior de las estrellas. Es difícil evitar la conclusión de que la falta de interés en la teo- ría del big bang de G am ow después de 1953 no fuera en parte la resultante de factores sociológicos no relacionados con las cualidades de la teoría en sí m ism a. U na de las razones era, indudablem ente, que la teoría no tenía una afiliación disciplinar clara, sino que involucraba dos cam pos de la física que en su m om ento se veían com o claram ente diferentes. Era una teoría más física que astronóm ica pero, al com binar la física nuclear con la relatividad general, iba contra la tendencia de e ^ c ia l iz a c ió n que caracte- rizó la física estadounidense en los años cincuenta. La barrera de separación entre los


físicos nucleares y los de partículas, tan en boga, y (los que eran considerados com o) los polvorientos cosm ólogos, im plicaba que los program as de investigación m ultid isciplinar com o el de G am ow tenían dificultades en reclutar personas nuevas y traer el interés de las especialidades existentes. Entonces, cuando G am ow se m udó desde la cosm ología a la biología m olecular y otros tem as a m ediados de los años cincuenta, y cuando A lpher y H erm án al m ism o tiem po se trasladaron a carreras científicas en la industria privada, no hubo nadie que ocupara su lugar donde lo dejaron.

La cosm ología tradicionalm ente ha sido vista com o una disciplina a m itad de cam ino entre la ciencia y la filosofía y, po r esta razón, una disciplina que necesitaba de u n a m etodología distin ta de la im peran te en la investigación física ordinaria. Gam ow y su pequeño g rupo de cosm ólogos no estaban de acuerdo. Siendo físicos de form ación y de espíritu, veían el universo tem prano com o algo que podía ser tra tado con los m étodos regulares de la física: lo consideraban com o un problem a difícil, pero no m enos com o u n problem a que no difería cualitativam ente de otros problem as de la física n u clear. C onfiados en que los cálculos avanzados asistidos p o r ordenador, con en trada de datos de los laboratorios nucleares-físicos, darían la respuesta adecuada, no vieron la necesidad de in troducir nuevos principios o debatir el estado conceptual de la cosm ología en n inguno de sus aspectos. A breviando, su actitud era pragm ática y em pírica. G am ow se vio a sí m ism o com o un cosm o-ingeniero, y en una ocasión com paró al cosm ólogo con el ingeniero que diseña u n coche nuevo: m ientras que el ingeniero tiene que basarse en las leyes y m ateriales conocidos, así tam bién debería el cosm ólogo b uscar m odelos del universo que satisficieran las leyes conocidas y estuvieran de acuerdo con los datos experim entales. Ésta era una actitud radicalm ente diferente de la doprr^ nan te en la cosm ología, y probablem ente contribuyó al distanciam iento del program a de G am ow del tipo de cosm ología teórica cultivada en Europa. Por una parte, la ap io - xim ación de la cosm ología-com o-ingeniería de G am ow era perfectam ente acorde con el espíritu pragm ático que caló en la física estadounidense de la época (véase capítulo 22). Por o tra , su program a de investigación carecía del único ingrediente que podría haber atraído el interés de los físicos, a saber, los datos experim entales y la posibilidad de realizar com probaciones.

El reto del estado estacionario

1948 no fue sólo el año de la teoría del big bang de Gamow, sino tam bién el año en que se produjo en C am bridge, Inglaterra, una propuesta de alternativa radical a la evolución cosm ológica. Esta teoría, la «nueva cosmología», o teoría del estado estacionario del universo, fue sugerida en dos versiones diferentes, una po r Fred Hoyle y la o tra p o r H erm ann Bondi y Thom as Gold. A unque las dos versiones diferían en sus aspectos filosóficos, com partían los m ism os cim ientos y daban los m ism os resultados observacionales. Hoyle, Bondi y G old tenían en com ún con Gamow, A lpher y H erm án que eran físicos sin form ación form al en astronom ía. Ésta era prácticam ente la única sem ejanza entre los dos grupos de cosmólogos.


La teoría del estado estaeíonario fue m otivada po r una insatisfacción m etodológi- ca con las cosm ologías evolucionistas basadas en la teoría de la relatividad, especial- m ente con aquellas que asum en u n com ienzo o creación del universo. Ho>le hacía nota r que la creación no se podía explicar de m anera causal y, por tanto , com o escribió en su artículo de 1948, estas teorías iban «contra el espíritu de la indagación científi- ca». A parte de las objeciones basadas en la filosofía, los tres físicos de C am bridge lia- m arón la atención sobre la llam ada dificultad de tiem po-escala, un problem a com ún a ط m ayoría de teorías relativistas del tipo del big bang. De acuerdo con estas teorías, la edad del universo está relacionada con el parám etro H ubhle, en el sentido de que la edad es m enor que la constante inversa de recesión (el tiem po H ubble) que alrededor de 1950 se pensaba que era de 1,8 m il m illones de años, considerablem ente m enor que los tres m il m illones de años que los m étodos fiables de datación radiactiva indicaban para la tierra. Esta discrepancia tan vergonzante desapareció más tarde en los años cincuenta con m edidas m ejoradas del parám etro de H ubble, pero en 1948 era suficiente- m ente real y un problem a que la cosm ología relativista sólo podía evitar haciendo com o si no existiera.

La solución de Hoyle, Bondi y Gold fue la de basar su alternativa en el postulado de que el universo no es sólo espacialm ente sino tam bién tem poralm ente hom ogéneo, esto es, que parece el m ism o en cualquier localización y en cualquier tiem po. Para poder hacer coincidir u n universo estacionario e infin itam ente antiguo con la recesión de las galaxias, asum ieron que la m ateria elem ental (com o los átom os de hidrógeno o los neutrones) se crea de m odo continuo a través del universo. La creación de la m ateria tenía que llevarse a cabo a un ritm o extrem adam ente lento para que el proceso fuera im posible de observar directam ente, pero no p o r ello era m enos im portan te u n a hi- pótesis drástica, porque violaba tan to el venerable principio de la conservación de energía com o la respetada teoría general de ط relatividad. Sum ándose ٤١ estas asunciones, los cosm ólogos del estado estacionario dedujeron que el universo era un espacio euclídeo en expansión exponencial con una constante de densidad m edia de m ateria de p = 3H 2/8itG , siendo H la constante de H ubble y G, la constante de gravitación de Newton. Entre las dem ás deducciones sobrevenidas a p artir de la teoría, estaba que la edad m edia de las galaxias en cualquier región extensa del universo era de un tercio del tiem po de H ubble, o aproxim adam ente de 600 m illones de a ñ o s . آ ؛.ل teoría se m antuvo en esencia sin cam bios duran te los años cincuenta, ' que el físico británico W illiam McCrea, en 1952, la rein terpretó en su cercana analogía con ط teoría general de la relatividad y afirm ó que la creación continua de m ateria no violaba necesaria- m ente la conservación de la energía. La ingeniosa interpretación de M cCrea incluía ideas explicativas que más tarde serían redescubiertas en ظ cosm ología relativista, pero que en la época atrajeron poco interés.

Desde su com ienzo en 1948, la teoría del estado estacionario se ganó una fiera opo- sición, no sólo por su naturaleza no convencional, sino tam bién porque Hoyle la usó de m anera ideológica en ataques contra la teoría del big bang y contra lo que él califi- caba de fundam ento religioso en la m ism a. Q ue había una alianza no sagrada en tre la


creencia cristiana y las ideas cosmológicas de la creación del universo pareció confir- m ado en 1952, cuando el papa ? o XII argum؛ entó que la cosm ologia m oderna del big bang estaba en p ro funda arm onía con los dogm as cristianos y que daba gran apoyo a la existencia de u n C reador trascendental. A unque los argum entos religiosos y filosófi- eos faeron debatidos acaloradam ente, sin em bargo, el curso y el resultado de la controversia entre las dos teorías cosm ológicas no dependían de estos temas. Lo que ¡m- po rtaba realm ente eran los argum entos de naturaleza científica m ás convencional, que, firndam entalm ente, quería decir pruebas observacionales. La teoría del estado estacionario cosechó victorias m enores al proveer m ecanism os plausibles de form ación de las galaxias y, en concreto, la base de una teoría nuclear de éxito sobre el origen estelar de los elem entos m ás pesados que el helio. Esta im portan te teoría, un hito en la astrofísi- ca nuclear, fue desarrollada en 1956-1957 por Hoyle en colaboración con M argaret y Geoffrey Burbidge de Inglaterra y el físico nuclear de Caltech W illiam Fowler. La teoría de B u rb id ^ B u r^ d ^ H o y le -F o w le r tra taba de salvar la brecha de la m asa 8 que sólo podría producirse en el in terio r de las estrellas, y, po r tan to contrad iría los supuestos de la teoría del big bang de Gamow. En cualquier caso, aunque la teoría de B2HF (com o era llam ada) estaba am pliam ente entendida com o u n argum ento para apoyar la teoría del estado estacionario, no descalificó la teoría rival del big bang. La victoria que obtuvo Hoyle fue más psicológica que real.

M ientras que las cosm ologías evolutivas predecían que la razón de la recesión ga- láctica era proporcionalm ente m ayor para las galaxias distantes, según el m odelo del estado estacionario la velocidad se increm entaría en proporción directa a la distancia. El d iagram a H ubble para galaxias m uy distantes debería p o r tan to ser capaz de discer^ n ir entre los dos tipos de m odelos. Alian Sandage, en el Cbser^'atorío de M ount Wil- son, recopiló datos que indicaban una expansión ralentizada de acuerdo con 1ة perspectiva evolucionista y concluyó que los datos contradecían la teoría del estado estacionario. En cualquier caso, los datos no eran lo bastante irrefutables com o para constitu ir una p rueba crucial que pudiera ser aceptada p o r am bos bandos.

La situación general de finales de los años cincuenta se caracterizó por la incapac؛- dad de las distintas pruebas observacionales de elegir una, claram ente, entre las dos teorías. Algunas de las pruebas parecían favorecer un tipo de teoría, o tros parecían favorecer la o tra, pero n inguna de ellas era concluyente. C uando los m edios radioastro- nóm icos fueron aplicados al m ism o problem a, prim ero en 1955 p o r M artin Ryle de la U niversidad de C am bridge, la h istoria al principio parecía repetirse. Ryle observó que la d istribución de las firentes de radio se contradecían in tensam ente con la teoría del estado estacionario, pero su conclusión fue p rem atura y fue contestada por radioas- trónom os en Australia. Tuvo que llegar 1960 para que nuevas m edidas consiguieran el consenso entre los rad ioastrónom os con relación a que la distribución de las radioga- laxias contradecían de m anera clara ظ teoría del estado estacionario. Esto sin em bargo no supuso la caída inm ediata de la teoría y, duran te algunos años, Hoyle y sus colaboradores in ten taron evitar la conclusión, bien fuera reinterpretar^do los datos, bien in- ventándose nuevas versiones de la teoría del estado estacionario que concordaran con


los recuentos de fuentes de radio. Desde esa época en adelante, sin em bargo, la teoría del estado estacionario no se consideró ya m ás com o una alternativa seria por la m ayoría de los astrónom os.

La teoría del estado estacionario no es sólo distin ta de la teoría del big bang en el sentido convencional de ofrecer una descripción diferente del universo y que produce predicciones diferentes. Las dos teorías diferían tam bién de m anera m arcada en un sentido filosófico y sociológico. Representaban «estilos» contrastados en cosm ología, y desde luego, en la ciencia com o tal. Bondi, Gold, Hoyle y sus seguidores negaban que la cosm ología fuera sim plem ente u n caso especial de física, y hacían no tar la d iferencia entre la física terrestre con sus fenóm enos repetibles y gobernadas po r leyes, y la ciencia del universo. Por causa de la unicidad del concepto de universo, la cosm ología no se tra tó com o u n a ciencia no explicable, sino sólo com o una ciencia descriptiva; adem ás de esto, el entendim iento del universo debía estar basado en principios no de- rivables de la física local, y si éstos conducían a consecuencias contrarias al conocim iento aceptado, los físicos de C am bridge estaban dispuestos a sacrificar la validez absoluta de las leyes de la naturaleza. La teoría del estado estacionario fue un intento de revolucionar la física cósmica, pero el in ten to fracasó. No es n inguna casualidad que la cosm ología de estado estacionario em ergiera en Inglaterra y que sólo fuera en este país donde la teoría encontrara un am plio apoyo y provocara un debate serio. En algunos

rectos, el espíritu de la teoría del estado estacionario era una continuación de las teo-s apriorísticas de cosmofísica que fueron populares en la física y astronom ía b ritá

nicas en los años tre in ta y que hem os descrito en el capítulo 15.

La cosmología después de 1960

A unque el cam bio radical abanderado po r los teóricos del estado estacionario fracasó, sí que hubo una especia de revolución en la cosm ología en los años sesenta, au n que fue una revolución conservadora que se m on tó a partir de la física establecida y estaba fuertem ente enraizada en el pasado. El hablar de u n «renacim iento» sería más apropiado que hablar de una «revolución»: el cam bio estuvo asociado con, y dependía de, u n a serie de descubrim ientos espectaculares que dem ostraban la existencia de n u e vos objetos y fenóm enos de relevancia cosmológica. Estos descubrim ientos dependían de nuevo de la rápida evolución de instrum entos y tecnologías tales com o m étodos de radioondas y m icroondas, cohetes espaciales y satélites artificiales. Incluso la ciencia celeste de la cosm ología estaba p ro fundam ente influida p o r el instrum ental y los m étodos originados en el contexto de la física militar. Así com o los descubrim ientos inesperados de los años 1890 forzaron a una nueva descripción del m icrocosm os, lo m ism o hicieron los descubrim ientos inesperados de la década de 1960 en el m acrocosm os, aunque, en el ú ltim o caso, era más la culm inación de una descripción ya conocida que la aparición de una nueva.

Entre los nuevos descubrim ientos estaba el que el cielo está lleno de rayos X, tanto en la form a de fuentes discretas com o de radiación difusa de fondo. Este descubrí-


m iento, realizado en 1962 p o r el estadounidense Riccardo Giacconi y sus colaboradores, llegó a ser el pu n to de com ienzo de una nueva ram a im portan te de la astronom ía. M ás im portan te para la cosm ología fue el descubrim iento de objetos cuasiestelares que los astrónom os del Caltech M aarten Schm idt y Jesse G reenstein realizaron a principios de 1963. E ncontraron u n a serie de objetos de tipo estelar que difería de las estrellas norm ales y de las galaxias p o r sus espectros inusuales, su in tensidad variable, su en o rm e salida de radioenergía y su fuerte corrim ien to al rojo. Es interesante hacer no tar que los quásares, com o enseguida fueron denom inados, habían sido observados en placas fotográficas años antes de descubrirse que eran una form a enteram ente novedosa de radioobjetos. A este respecto, el caso puede rem em orarnos a otros episodios de la h istoria de la física, com o el de los rayos X y el descubrim iento del positrón (capítulos 3 y 13). Estos casos ilustran el pu n to obvio de que describir algo no es idéntico a descubrir algo. Los quásares com o objetos de estudio entre astrofísicos se pusieron in m ediatam ente de m oda, a la vez que fueron controvertidos. ¿Qué procesos físicos p o drían derivarse de su gigantesca producción de energía? ¿Indicaban sus corrim ientos al rojo que eran objetos cosm ológicos o podían ser explicados de o tra m anera? Pronto se consensuó que los quásares estaban sin duda a grandes distancias cosm ológicas que im plicaban que probablem ente estaban en contradicción con la teoría del estado estacionario, según la cual no podrían existir objetos tan alejados en la distancia y en el tiem po. Para asentar la cuestión, los astrónom os idearon una prueba cartografiando los corrim ientos al rojo de los quásares contra sus densidades de flujo. Los resultados, publicados en 1966, contradecían la d istribución predicha po r la teoría del estado estacionario. A unque era posible justificar la contradicción, com o hizo Hoyle, la m ayoría de los astrónom os y físicos la aceptaron com o una refutación genuina de la teoría del estado estacionario.

En la época, la teoría ya había sido sacudida por el descubrim iento aún más im portan te de la radiación de m icroondas cósmicas de fondo. C om o se m encionaba p reviam ente, ya en 1948, A lpher había predicho tal radiación de cuerpo negro de tem pera tu ra 5 K, pero su predicción fue olvidada. Dieciséis años después, el físico de Princeton R obert Dicke llegó de m odo independiente a una conclusión sim ilar y sugirió a su colega James Peebles que exam inara la cuestión. Peebles estim ó que la tem pera tu ra presente de radiación hipotética de fondo era de unos 10 K y, en la prim avera de 1965, Dicke y Peebles com enzaron una colaboración con físicos experim entales para detectar la radiación. Antes de que hubieran obten ido resultado alguno, tuvieron constancia de unos experim entos realizados por dos físicos en Bell Laboratories, Arno Penzias y Robert W ilson. Los dos físicos de AT&T habían usado un rad ióm etro para m edir señales de la Vía Láctea y, en el transcurso de sus m ediciones, se dieron cuenta de que había u n exceso sistem ático de tem pera tu ra de 3,3 K, independien tem ente de la dirección a la que apun tara la antena. Penzias y W ilson no pod ían explicarse el exceso de tem peratura, pero Dicke y Peebles entendieron de inm ediato que lo que habían detectado era de hecho el fondo de m icroondas del big bang. El descubrim iento, p ronto confirm ado en otras longitudes de onda, fue anunciado en el ejem plar de julio de 1965


de Astrophysical Journal. Aquí había un descubrim iento que efectivam ente m enoscabó la teoría del estado estacionario y dio un soporte sólido a la teoría del big bang, que p re decía de m odo exacto este tipo de radiación. Para la m ayoría de físicos y astrónom os, el descubrim iento del fondo de m icroondas era un experim ento crucial, sin duda, la p rueba de que el universo había com enzado con una gran explosión o big bang. La ra diación 3 K -a h o ra su tem pera tu ra se m ide en 2,735 K - se sigue considerando com o el argum ento m ás im presionante a favor de la teoría del big bang. Después del descubrim iento en 1965, se com prendió que la radiación de fondo cósm ica era im portan te en los cálculos de la abundancia del helio, un problem a que no podía ser solucionado por las teorías de form ación estelar de los elem entos. Basándose en los preceptos de la teoría del big bang y un fondo de m icroondas de 3 K, en 1966 Peebles encontró una abundancia de helio del 27 p o r 100, con una correlación excelente con lo que había sido estim ado a p a rtir de las observaciones. Éste fue tam bién o tro triunfo de la nueva cosm ología del big bang.

Penzias y W ilson recibieron en 1978 el p rem io N obel p o r su descubrim iento , a p e sar del hecho de que no habían descubierto defacto la radiación -e s to es, no la habían identificado com o de origen cósm ico - sino que sólo habían detectado algo que no podían explicar. En el discurso de bienvenida, el presidente del com ité N obel de Física dijo que el descubrim iento había convertido «la cosm ología [en] una ciencia, ،bierta a la verificación y a la observación». El sen tim iento de que em ergía una cos

m ología científica o física (opuesta 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 por el número anual de publicaciones 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 of Physics Teachers.


1966 estaba m uy generalizado a finales de los años sesenta, y todavía es parte de la h isto ria actual de los cosm ólogos. Según esta h istoria, los sucesos anteriores a 1963 p e rtenecen a u n estadio precientífico, sem im ítico, gobernado po r m atem áticas estériles, o ideas supersticiosas, tales com o u n a creación con tinua de la m ateria. A parte de la falsedad obvia de esta in terp re tación de la h istoria, es im po rtan te recalcar que la descripción del big bang no fue un resultado de m ediados de los años sesenta, sino que puede encontrarse p lenam ente desarrollada en los trabajos más tem pranos de Ga- m ow y sus colaboradores.

Sin em bargo, es cierto que la cosm ología experim entó un despegue extraordinario en los años sesenta, tan to científico com o social. C om o ejem plo, el núm ero anual de artículos científicos sobre cosm ología se increm entó entre 1962 y 1972 desde unos 50 a unos 250 (gráfico 23.1). Incluso una producción de 250 artículos es u n núm ero pequeño para una subdisciplina científica, en todo caso. La m odesta escala de la cosm ología se ilustra posteriorm ente po r el hecho 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 «cosmología» o «cosmogonía».

De m ayor im portancia que el núm ero de publicaciones, con la elim inación del r ival del estado estacionario, apareció a m ediados de los sesenta u n consenso entre los cosm ólogos con respecto a los principales problem as que había que resolver y los criterios que debían emplearse. La teoría relativista del big bang «caliente» obtuvo un estatus paradigm ático, y las in terpretaciones alternativas fueron m arginadas. Al mismo( tiem po que la cosm ología se convirtió en cognitivam ente institucionalizada, logró una institucionalización social que hizo del tem a una ocupación profesional a tiem po com pleto gozando de una respetabilidad científica en aum ento. Existía una integración creciente en los departam entos de las universidades, y no sólo en los departam entos de m atem áticas, donde habitualm ente se habían llevado a cabo los escasos cursos de los años cincuenta. Desde los años setenta, la cosm ología increm entó su docencia en departam entos de astronom ía, física y ciencias espaciales, y los estudiantes fueron ed u cados en una tradición de investigación con una herencia com partida. Las diferencias nacionales que habían caracterizado la cosm ología m ás tem prana tam bién desaparecieron. O riginalm ente, la teoría del big bang era una teoría estadounidense, la teoría del estado estacionario pertenecía a los británicos y los rusos dudaban si realizar cosm ología alguna. A hora el cam po se había hecho verdaderam ente internacional, ya no se podía deducir la nacionalidad de u n au to r a p artir de la teoría que defendiera.

La colaboración entre la física nuclear y la cosm ología que em pezó con G am ow en los años cuarenta se aceleró en los setenta cuando la física de partículas elem entales llegó a ser u n ingrediente im portan te en la nueva cosmología. Por ejem plo, los cálculos detallados realizados en 1977 por G ary Steigman, David Schram m y James G unn en la Universidad de Chicago m ostraban que el núm ero de neu trinos diferentes no podía ser m ás de tres, o posiblem ente cuatro, si era correcta la teoría del big bang caliente. La p redicción fue confirm ada más tarde p o r experim entos en aceleradores de altas energías y sirvió para increm entar la confianza en la corrección básica del m odelo del big bang.


La contribución m ás destacable de la física de partículas a la cosm ología m oderna fue la teoría inflacionaria que el físico estadounidense de 31 años Alan G uth sugirió en 1981. (U na form a de inflación había sido propuesta por el físico ruso Alexei Staro- binski en 1979, pero no había conseguido atraer la atención.) Basado en el concepto de «falso vacío», G uth ideó un m odelo según el cual el universo m uy tem prano pasó po r un enfriam iento extrem o y se expandió de p ron to en un factor gigantesco, un increm ento de u n factor 1030en un periodo de 1 O-30 segundos. Después de la explosión in icial, la expansión se ralentizó de acuerdo con la teoría estándar del big bang. En 1982, la teoría de G uth fue m ejorada por A ndrei Linde en la U nión Soviética e independientem ente po r Andreas A lbrecht y Paul S teinhardt en los Estados Unidos. El nuevo m o delo de universo inflacionario explicaba, entre o tras cosas, la hom ogeneidad a gran escala del universo, la ausencia de m onopolos m agnéticos y la cuasiplanitud del espacio, n inguna de las cuales podía ser explicada p o r la teoría estándar. A unque el m odelo in flacionario no está libre de problem as, obtuvo gran éxito y causó un cam bio significativo en el pensam iento cosmológico. En 1977 se habían publicado más de tres m il a rtículos sobre la teoría inflacionaria. C ontinuarem os con algunos aspectos m ás de la interacción física de partículas-cosm ología en el capítulo 27.

El renacimiento de la relatividad general

A m ediados de los años veinte, la teo ría general de la relativ idad de Einstein estaba razonablem ente b ien confirm ada y aceptada p o r la m ayoría de los físicos. Sin em bargo, sólo u n p u ñado de físicos y m atem áticos trabajaron con la teoría com o tem a de investigación; la inm ensa m ayoría enfocó la relatividad general com o algo tan experim en ta lm ente vacío com o m atem áticam ente abstruso. M ientras que la teoría especial de la relativ idad se usaba co tid ianam ente en la física a tóm ica y de partículas, la relativ idad general parecía no tener apenas conexión con la experim entación y p a recía irrelevante a la m ayoría de las ram as de la física. En el despertar de la m ecánica cuántica relativista-especial de D irac de 1928, m uchos físicos buscaron unificar la m ecánica cuántica y la relatividad general, pero n inguno de los in ten tos fue viable. La teo ría general de la relatividad, en todo caso, fue tra tad a p o r un pequeño g rupo de m atem áticos, físicos teóricos y astrónom os, quienes investigaron la estru c tu ra m atem ática de la teoría o derivaron resultados de ella que, sin em bargo, no pod ían ser p robados de m anera experim ental. En los tre in ta y en los cuaren ta , era u n a teo ría decid idam ente pasada de m oda, sobre todo com parada con la teoría cuántica y la física nuclear. La ún ica área de investigación física en la cual la teo ría desem peñaba u n papel im p o rtan te era la cosm ología, pero la m ayoría de los físicos veían los e s tu dios cosm ológicos com o algo en la periferia de la ciencia, si no fuera de ella.

Lo que se ha llam ado el m om ento de m ayor sequía de la relatividad general duró hasta princip ios de los cincuenta. Desde entonces y hasta ahora, especialm ente desde alrededor de 1960, el cam po em pezó a a traer un nuevo interés y p ron to experim entó un renacim iento notable. Los pequeños grupos de jóvenes relativistas em pezaron a ali


nearse ju n to a teóricos com o }ohn W heeler o Peter B ergm ann en Jos Estados Unidos, Bondi en In ^ a te rra , Leopold Infeld en Polonia y VJadim ir Fock en ط U nión Soviética. Una señal del renovado interés fue una serie de conferencias sobre los problem as de la relatividad general y áreas asociadas, siendo la prim era la conferencia de Berna de 1955 que celebraba el 50 aniversario de la teoría de Ein؟tein; fue seguida de la conferencia de Chapel №11 en los Estados U nidos (1957), una conferencia en Royam ont, Francia (1959), y o tra C‘I1 Varsovla (1962). Los tem as tratados en las prim eras conferencias eran de naturaleza teórica y m atem ática o se referían, en unos pocos casos, a ' astronóm icas. En 1970, la publicación de u n a revista llam ada General Relativity and Gravitation com enzó bajo los auspicios del In ternational C om m ittee on General Reía- tivity and G ravitation (C om ité In ternacional sobre Relatividad General y G ravitación), fondado en 1960 com o resultado de la reunión de Royam ont. En el p rim er núm ero de la revista, el editor A ndré M ercier llam ó la atención sobre «la extraordinaria y m uy satisfactoria com binación de astrofísicos y RGG [Relatividad general y gravitación] que había aparecido en los últim os años». Sobre esta com binación escribió: «La RGG ha salvado a la cosm ología del “dem asiado hipotético”, y la astrofísica com binada con la física de partículas ha convertido las teorías RGG en algo sólido, m ientras que en cambio, duran te una o dos décadas han sido despreciadas p o r tantos físicos bajo el pretex- to de que no eran físicas». En los departam entos de física, los cursos sobre relatividad general se m ultip licaron y se escribieron nuevos libros de texto. La publicación en 1973 de Gravitation, u n libro de texô enorm e (de 1.280 páginas), escrito p o r Charles M is- ner, Kip '[ ho rne y W heeler, era o tra señal de que la relatividad general había cam biado y se había trasladado a la física m ayoritaria.

Existían básicam ente cuatro razones por los cuales el estatus y el interés en la relatividad cam biaron tan drásticam ente en los años sesenta. Prim ero, el rechazo de la teoría del estado estacionario foe in terpretado extensam ente com o un triunfo de la relatividad general. En segundo lugar, los nuevos descubrim ientos en la astronom ía reproducían la aplicación de la relatividad a los problem as astrofísicos. En tercer lugar, la teoría de Ein- stein fue desafiada po r una nueva y controvertida teoría de la gravitación. En cuarto y más im portan te lugar, los nuevos m étodos de la física experim ental convirtieron la teo- ría general de la relatividad en una ciencia de laboratorio. «La teoría de la gravitación de Einstein, su teoría general de la relatividad de 1915, se m uda del reino de las m atem áti- cas al de la física», concluyó el físico teórico estadounidense Alfíed Schlld en 1960. «Des- pués de 40 años de una precaria escasez de com probaciones astronóm icas, se hace posible realizar y planificar nuevos experim entos terrestres» (Kragh 1996b, p. 318).

U no de los experim entos pioneros referidos por Schild foe realizado en los prim e- ros años sesenta p o r Robert Pound y Glen Rebka de la Universidad de H arvard, m i- d iendo el «peso aparente de fotones» com o se titu ló su artículo, o expresado de o tra m anera, el corrim iento al rojo (redshift) gravltatorio. Esta predicción de la relatividad general había sido confirm ada p o r m ediciones astronóm icas a princip ios de los años veinte, pero con poca exactitud y de una form a no m uy aclaratoria. Para poder m edir el desplazam iento en la frecuencia causado p o r la variación del cam po gravltatorio de


la t i e r r a sobre apenas veinte m etros (la altu ra del edificio del laboratorio de H arvard), Pound y Rebka hicieron un uso sofisticado de un nuevo m étodo de estrecham iento de la form a de las líneas espectrales, produciendo así un rayo gam m a con u n a frecuencia extrem adam ente bien definida. El m étodo estaba basado en el efecto M óssbauer, denom inado así po r el físico alem án R udolf M óssbauer, que lo había descubierto en 1958. El efecto M óssbauer tuvo aplicaciones en cam pos diversos, desde la quím ica nuclear hasta la relatividad general, y a su joven descubridor le fue concedido el prem io Nobel de 1961 p o r su trabajo.

£1 experim ento de ?ound-R ebka confirm ó la predicción relativista con una toleran- cia del 10 p o r 100 y, en un experim ento m ejorado de 1965, ظ coincidencia se estrechó hasta el 1 por 100. La im portancia del experim ento de Pound-Rebka no era sólo que apoyaba la teoría de Einstein, sino que tam bién m arcó el preludio de una nueva era de la re- lativldad experimental. El resultado com binado de los experim entos en los años setenta, haciendo uso de relojes atómicos, cohetes, satélites, ordenadores y otros instrum entos electrónicos avanzados, fue una 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 fueron estudiados p o r John W heeler, Bryce DeW itt y Roger ?enrose, po r m encionar unos pocos. En 1960, Penrose, u n m a- tem ático británico, presentó nuevas y potentes herram ientas topológicas en la teoría y, en 1965, dem ostró que una estrella en colapso gravitatorio inevitablem ente term inará com o una singularidad espacio-tem poral.

Los descubrim ientos astronóm icos de los sesenta y setenta resultaron ser o tra fuente im portante para el renacim iento de la relatividad general (véase tabla 23.1). El descubri- m iento de los quásares en 1963 y el descubrim iento casual de los púlsares cuatro años después por Jocelyn Bell y A nthony Hewish en la Universidad de Cam 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 23.1D escubrim ientos astrofísicos im portan tes, 1962-1979

Fenómeno A ño Descubridores

Rayos X estelares 1962 B runo Rossi, R icardo G iacconi (EEUU)

Q uásares 1963 M aarten Schm idt, Jesse G reenstein (EEUU)

M áseres cósm icos 1965 H aro ld Weaver, S. W einreb, A. B arrett (EEUU)

Fondo de m icroondas 1965 A rno Penzias, R obert W ilson (EEUU)

Estrellas infrarro jas 1965 G erry N eugebauer, R obert Leighton (EEUU)

Púlsares 1967 Jocelyn Bell, A nthony H ewish (RU)

Fuentes superlum ínicas 1971 Irvin Shapiro (RU)

Púlsares b inarios 1974 Russell H ulse, Joseph Taylor (EEUU)

Lente gravitatoria 1979 D ennis Walsh (RU)


general. De acuerdo con □na sugerencia realizada prim ero por Thom as Gold en la U n؛- versidad de Cornell, lo$ púlsares se explicarían com o estrellas de neutrones ro tando con velocidad y regularidad extremas. Las estrellas de neutrones, que surgen a partir del CO- lapso gravitacional de estrellas enorm es, habían sido debatidas tedricam ente por ©p- penheim er y H artland Snyder en 1939, pero tuvieron que pasar dos décadas hasta que el tem a atrajera una atencidn generalizada. En 1967, W heeler acuñó el térm ino de «agujero negro» para una m asa esférica colapsada en la singularidad, y en 974 ا fue dado a CO- nocer 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 ninguna confirm ación inequivoca de estos destacables objetos cósmicos.

Todavía o tro descubrim iento inesperado en astrofísica habría de ser realizado en 1974, cuando Joseph Taylor y Russell Hulse detectaron señales rad ioasônóm icas que in terp re taron com o em itidas po r u n pulsar b inario -e s to es, u n púlsar en órb ita aire- dedor de u n com pañero invisible, quizá otro pú lsar-. El hallazgo de Taylor y Hulse era más que sim plem ente o tro descubrim iento cósmico: causó gran em oción entre los relativistas, que com prendieron que los púlsares binarios eran ideales com o objetos de p rueba para la teoría de la relatividad general: la teoría concordaba perfectam ente con las observaciones; de m odo aun más im portan te , en 1978 Taylor m ostró que los datos del púlsar b inario sugerían de m odo intenso que la em isión de radiación gravitacional tenía una tasa que coincidía con lo predicho p o r la relatividad general. El que e؛ gantescos cuerpos acelerados em itieran radiación gravitatoria fue argum entadm ero por Einstein en 1916, pero la sugerencia se m antuvo com o una especie de culación teórica hasta la dem ostración de Taylor. En 1993, Taylor y Hulse recibieron el p rem io Nobel «por el descubrim iento de un nuevo tipo de púlsar, un descubrim iento que ha abierto la puerta a nuevas posibilidades de estudio de la gravitación». A p ro p ó sito, ésta fue la p rim era vez que un prem io N obel estaba m otivado en parte po r la referencia a la física gravitacional. Incluso antes del descubrim iento de Taylor-Hulse, las ondas gravitacionales se buscaban experim entalm ente, de m odo notable en una serie de experim entos conducidos p o r Joseph W eber en la Universidad de M aryland. W eber pensaba que las señales recibidas en su detector indicaban la recepción de ondas g ravitacionales y anunció el descubrim iento de las ondas en 1969. Sin em bargo, su p ro clam ación fue discutida y la m ayoría de los físicos concluyó que W eber no había descubierto la radiación gravitacional. W eber no estaba de acuerdo y continuó sus experim entos. Aun en 1998 las ondas gravitatorias no habían sido observadas d irectam ente, y po r su im plicación, tam poco lo ha hecho el gravitón, la versión cuantizada de

A la teoría general de Einstein nunca se han faltado rivales en form a de teorías alternativas de la gravitación. Por m encionar unas pocas, D irac y Jordán buscaron sin éxito desarrollar teorías con una constante gravitatoria variable en el tiem po, y en 1964, Hoyle y Jayant N arlikar propusieron una teoría no einsteiniana basada en in te racciones directas entre partículas. El reto m ás serio a la relatividad general en los años sesenta fue quizá una teoría desarrollada po r Cari Brans y R obert Dicke en la U niver

las ondas gravitatorias.


sidad de Princeton en 1961. La teoría de Brans-Dicke fue m ucho más debatida alrededor de 1970, cuando fue evidente que daba lugar a un núm ero de predicciones geofísicas y astrofísicas diferentes a las de la relatividad general. Por ejem plo, las teorías de Brans y Dicke predijeron una precesión del perihelio de M ercurio m enor que los 43 segundos de arco que predecía la relatividad general. Dicke argum entó , a p artir de las o b servaciones solares, que parte del valor observado y, p o r tanto , la concordancia con la relatividad general, era debido a que el sol estaba m ás achatado de lo que se creía. La extensión del achatam iento solar continuó siendo u n tem a de debate duran te una década, pero a m ediados de los años ochenta estaba claro que la teoría Brans-Dicke no encajaba con los experim entos, m ientras que la relatividad general sí lo hacía.

La com binación de experim entos de laboratorio , observaciones astronóm icas y avances en los cim ientos m atem áticos de la relatividad general hicieron posible un nuevo y em ocionante subcam po, la astrofísica relativista. El cam po fue presentado en el p rim er Texas Sym posium on Relativistic Astrophysics en 1963, la p rim era de una serie im portan te de conferencias que fue la contraparte relativista a la serie de conferencias de Rochester de los físicos de partículas. El tem a del p rim er sim posio de Texas fue el colapso gravitatorio y los nuevos quásares. Era una reunión verdaderam ente interdisciplinar, incluyendo entre sus participantes a físicos nucleares, teóricos relativistas, cosm ólogos y astrónom os. Fred Hoyle, W illiam Fowler, Kip T horne, Alian Sandage, Edwin Salpeter, Roy Kerr y M arteen Schm idt presentaron artículos. M ientras que el sim posio de 1963 incluyó unos 300 participantes, m ás de 800 físicos y astrónom os to m aron parte en el noveno sim posio de 1978. Los m últiples sim posios y escuelas de verano sobre astrofísica relativista fueron seguidos po r libros de texto y volúm enes de actas finales. Entre los prim eros y más com pletos libros en el nuevo cam po estaba Relativistic Astrophysics (1971) de Yakov Zel'dovich e Igor Novikov, dos em inentes físicos soviéticos. El renovado interés en la física gravitatoria y en la física relativista fue reflejado posterio rm ente en los venerables congresos de Solvay. El undécim o congreso de 1958 tra taba de «Astrofísica, gravitación y la estructu ra del Universo» e incluía discursos de Hoyle, Lemaitre, O. Klein, W heeler y otros. Seis años después, el XIII congreso se dedicó a «La estructura y evolución de las galaxias» y el tem a del XVI congreso en 1973 fue «Astrofísica y gravitación». Los tem as tra tados du ran te la conferencia de 1973 incluían las fuentes de rayos X, las estrellas de neutrones, los quásares, los pú lsares y los agujeros negros.

C A P ÍTU LO 24

Elementos de la física del estado sólido

£١ e$tado $ól؛do antes de 1940

A lrededor de 1930, m uchos físicos estaban ocupados en investigar las propiedades de los cuerpos sólidos. Pero a pesar de la considerable actividad en estas áreas de investí- gación -m u ch as de ellas con raíces en el siglo XIX- no existía n inguna disciplina de físi- ca del estado sólido en sus aspectos social, institucional ni cognitivo. Desde u n pun to de vista sociológico e histórico, la física del estado sólido no existía. Tuvo que pasar la Se- gunda G uerra M undial para que la nueva ciencia de los cuerpos sólidos, más tarde con el nuevo nom bre de física de la m ateria condensada, despegara y absorbiera varias especialidades que hasta entonces no se pensaba que pertenecieran de m anera natural a la m ism a área cicntífica. El volum en de 1930 de Physics Abstraéis (entonces todavía lia- m ado Science Abstraéis, sección A) no incluía n inguna entrada entre sus m aterias d e n - sica del estado sólido o térm inos relacionados. Las principales m aterias de estudio eran Física general, Luz (que incluía radiactividad), Calor, Sonido, Electricidad y M agnet؛،s- m o y Física Quím ica. Cada uno de estos grupos incluía artículos que una generación posterior reconocería com o pertenecientes al cam po de la investigación del estado sóli- do. Diez años después, en 1940, el índice de m aterias de Physics Abstracts incluyó una entrada de Sólidos que estaba dividida en las categorías de Estructura y Teoría. La entrada de Teoría del Estado Sólido se dividía en Sólidos, Teoría; Cristales, D inám ica de Redes cristalinas; y Teoría cuántica. A p artir de entonces, se puede em pezar a hablar de la física del estado sólido com o una disciplina separada, cuyos practicantes estaban en el proceso de form ación de una com unidad científica.

El núcleo científico de la nueva disciplina, el m arco teórico que le daba la «)herencia cognitiva necesaria, fue una aplicación de la m ecánica cuántica al estado sólido de la m ateria. Antes de los m ecánicos cuánticos, los físicos (junto con los quím icos, los cristalógrafos y m etalúrgicos) habían estudiado las propiedades m ecánicas, ópticas, m agnéticas, eléctricas y cristalinas de los sólidos, pero no había n ingún denom inador

Elementos de la física del estado sólido 357

teórico com ún a estos estudios, que consecuentem ente parecían estar sólo conectados de una m anera ligera, si es que estaban conectados en algo. Ya en 1930 era com ún ط - cluir grandes partes de física quím ica. Incluyendo debates sobre espectros moleculares y reacciones quím icas, en libros y artículos dedicados a la física de m ateria condensada. U no de los prim eros articulos de revisión que incluyó «sólidos» en su títu lo fue es- crlto en 1937 y apareció en el Journal o fA pplied Physics. fo s autores, Frederick Seitz y Ralph Johnson, escribieron: «hasta ahora, las diversas teorías de diferentes sólidos ca- recían visiblem ente de unidad. Para in terp re tar las propiedades distintivas de los tres sólidos cobre, d iam ante y roca salina, p o r ejemplo, uno tenía que em pezar con tres descripciones m uy distintas de su constitución interna». A hora la situación había cam - biado y una teoría unificada del estado sólido basada en la m ecánica cuántica era una posibilidad realista. C om o escribieron los autores, «la teoría cuántica ha tenido éxito en in terp re tar m uchas de las propiedades observadas de los sólidos que las descripciones clásicas dejaban sin explicar» (W eart 1992, p. 628). Tres años después, Seitz escrl- bió uno de los prim eros m anuales de la nueva física del estado sólido, a ^ o p ia d a m e n - te titu lado Teoría moderna de los sólidos (.Modern Theory ،.؟ ر/ذس>('أا،'ا ).

Entre las num erosas especialidades que construyeron la protofíslca del estado sólí- do de los años trein ta, la teoría de los m etales fue una de las más im portantes. Las pri- ^ e ra s teorías de f)rude, Riecke, Lor(؛ntz y ôhr, todas basadas en el m odelo de gas de

e lec trones libres, dieron lugar a resultados razonablem ente buenos en algunas áreas, com o en la relación entre la conductividad térm ica y eléctrica. Sin em bargo, no daban ظ adecuada tem pera tu ra de dependencia de resistencia de los metales puros, ni tam - poco las antiguas teorías tuv ieron éxito en la explicación de las propiedades m agnétl- cas de los metales. De acuerdo con la teoría clásica, se suponía que los calores específico,؟ de los metales eran m ucho mayores que aquellos de los aislantes, aunque los experi- m entos probaron que no era el caso. Era evidente que se necesitaba alguna idea nueva, y que la nueva idea debería venir de la m ano de la m ecánica cuántica.

El p rim er físico que aplicó la nueva m ecánica cuántica al estudio de los m etales fue Pauli, que en 1927- vio que los electrones libres en u ل926 n m etal debían obedecer las estadísticas de ferm l-D Irac. C uando p o r prim era vez Fermí - y después, de m odo independiente, D irac - presentaron las nuevas estadísticas en 1926, no estaba nada claro si era esta form a de estadísticas o la estadística alternativa de lôse-Linstein la que CO- rrespondía a la m ateria. Por ejem plo, tan to ferm i com o Dirac creyeron ' ' que las m oléculas de gas obedecían a las m ism as estadísticas que los electrones -e sto es, que eran ferm iones-, (Los nom bres «fermión» y «bosón» fueron acuñados po r Di- rae en 1945.) La cuestión sólo fue aclarada con el trabajo de Pauli. Sobre la base del principio de exclusión y las estadístieas relacionadas de Ferm i-f)؛rac, desarrolló una teoría im portan te del param agnetism o, que en m uchos de sus aspectos se convirtió en el pun to de arranque para todas las teorías cuánticas de m etales posteriores. Es írónl- هء que el trabajo de Pauli obtuviera este estatus, ya que Pauli no estaba particularm ente interesado en la teoría del estado sólido y consideraba que el cam po era m ucho m enos «puro» que la em ocionante física fundam ental de la teoría euántica de cam pos. En los


prim eros años trein ta, Pauli a veces se refiere a la física del estado sólido com o «física sucia». En una carta del ١ de ju lio de 1931, escribió a Peierls, que acababa de calcular ظ resistencia residual en m etales, «la resistencia residual es un efecto sucio y uno no debería revolcarse en la mugre». Al m ism o tiem po, Pauli desem peñó un papel im portan te en la fase tem prana de la teoría del estado sólido y parece que no tuvo problem as en hacer física «fundam ental» y «sucia» al m ism o tiem po. Ni tam poco Heisenberg, Bethe, Peierls, Bloch, M ott, Prenkel ni Landau. No eran físicos del estado sólido, sino físicos con un interés en el estado sólido com o una de las diversas áreas de aplicación de la m ecánica cuántica.

El trabajo de Pauli fue continuado po r el trabajo de su antiguo profesor, Arnold Som m erfeld, quien, ese m ism o año, hizo uso de la estadística de Fernri-D írac para m ostrar u n a teoría m uy m ejorada de la conducción eléctrica en metales. Som m erfeld m ostró que el gas de electrones debe degenerar com pletam ente y que sólo u n a peque- ña fracción de los electrones puede con tribu ir po r tan to al calor específico del metal. De este m odo, el calor específico relativam ente bajo tenía una explicación cualitativa. Los trabajos de Pauli y Som m erfeld abrieron u n nuevo capítulo en la h istoria de la fí- sica del estado sólido, pero eran sólo el principio, y aunque em pezaron a constru ir ظ estadística cuántica y el espín de los electrones no em plearon todo el instrum ental de la m ecánica cuántica. A unque la teoría de Som m erfeld era un avance notable, su grado de concordancia con las observaciones distaba de ser perfecto; sin em bargo, la teoría im- perfecta estim uló m uchas críticas y refinam iento y form ó el núcleo de un program a de investigación entero. Por ejemplo, en 1928, el Zeitschriftfür Physik contenía 14 artículos d irectam ente relacionados con la teoría de los electrones de som m erfeld. Pronto se vio que el principal problem a de la teoría de Som m erfeld no era su falta de coincidencia con algunos datos experim entales, sino m ás bien que funcionaba bien después cá todo.

U na teoría verdaderam ente m ecánico-cuántica de metales fue desarrollaba d i e n t e los cuatro años siguientes, prim ero por jóvenes físicos asociados con Pauli, Sonuêrfeld y Heisenberg. La fase pionera de este desarrollo tuvo lugar en M únich, Zurich y Leip- zig, pero poco después frieron llegando im portantes contribuciones desde Inglaterra, Francia, la U nión Soviética, y tam bién de los Estados Unidos. A finales de los años veinte, ظ estructura m atem ática y conceptual de la m ecánica cuántica fue prácticam ente culm inada y se anim aba cada vez m ás a los estudiantes de física a que aplicaran la teo- ría a nuevas áreas, entre las cuales ظ de los sólidos se veía com o particularm ente pro- m etedora. U no de los estudiantes era Félix Rloch, que trabajaba para Heisenberg en Leipzig. C om o parte de su tesis doctoral, en Í928 Bloch com enzó una investigación m e- cánico-cuántica de las ftrnciones ondulatorias de electrones en la red cristalina. Con- ceptos im portantes, com o el «teorem a de Bloch» y los «estados de Bloch» datan de esta época. D ándole vueltas a ideas de la nueva quím ica cuántica, debida a H und, London y Heitler, Bloch exam inó el com portam iento de los electrones, no en form a de átom os o de moléculas individuales, sino en la form a de cam pos eléctricos solapados de los nu- m erosos átom os que constituyen u n cristal. Dio por supuesto u n potencial en el cual los electrones están estrecham ente unidos a la red cristalina. Entonces resultaba que los es


tados energéticos no eran discretos, sino bandas continuas de energías perm itidas. El trabajo de Bloch y los casi sim ultáneos trabajos de Peierls y Bethe allanaron el cam ino de ط teoría de bandas, posiblem ente la parte m ás im portan te de ط teoría del estado só- lido: se derivó de la tem prana teoría de bandas que la alta conductividad no es m era- m ente lo relacionado con un alto grado de m ovilidad de electrones. Los electrones necesitan encontrar estados libres en las bandas de energía; si tales estados no existen, el cristal será un aislante. A lo largo de esta línea de pensam iento, Bloch explicó con éxito, po r vez prim era, la diferencia entre metales y aislantes.

En 929ل, a p a rtir de la sugerencia de Helsenberg, Pelerls investigó el anóm alo o «positivo» efecto Hall, en el cual una corriente en algunos metales es influida por el eam po m agnético com o si los conductores m ensajeros estuvieran cargados positivam ente. En relación con este trabajo, se percibió que un electrón cerca del borde de banda se com- portaría de un m odo peculiar, en otras palabras, se movería com o si tuviera carga pos؛- tiva. Esto era la base de la idea del «agujero» - o electrón defectuoso, com o lo llam aba Peierls- com o un hueco libre cerca de la parte superior de una banda de o tro m odo lie- na. Tal agujero, com o m ostró explícitam ente Heisenberg en 1931, se com portaría com o un electrón de carga positiva, y con una m asa positiva efectiva. (El agujero de estado só- lido de Peierls y f leísenberg com partía sim ilitudes con el agujero antielectrón de Dirac dado a conocer al m ism o tiem po, pero am bas ideas eran independientes.) O tro concepto de estado sólido im portan te fue presentado p o r el físico parisino Léon Bríllouin, quien en 930ل desarrolló las ideas de Peierls en ط técnica geom étrica que, desde entonces, se conoce com o zonas de Bríllouin. Después com entó, «al principio no m e di cuenta de que estaba haciendo algo que podría convertirse en m uy im portante. Lo hice por divertirm e, siguiendo mi propia línea de investigaeión po r pu ra curiosidad» (H oddeson, Baym y Eckert 1992, p. 119). La teoría de bandas fue desarrollada u lteriorm ente por Alan W ilson, u n físico de Cam bridge que fue a Leipzig a trabajar con Heisenberg y Bloch en parte porque consideraba que la físiea de C am bridge estaba dem asiado preocupada po r el núcleo atóm ico. En 1931, W ilson publicó sus artículos pioneros sobre se- m iconductores, en los cuales p o r p rim era vez describió u n sem iconductor com o u n aislam e con un hueco de banda, a través del cual los electrones pueden pasar com o resultado de una excitación. El m odelo de W ilson estaba en una etapa dentro del camino hacia unos cálculos más realistas en el estado sólido y p o r tan to hacia una m ayor unidad entre teoría y experim entación. La tendencia continuó a través de los años tre in ta e incluyó com o elem ento im portan te la aplicación de la teoría de bandas al sodio y a otros metales reales. La prim era aplicación de este tipo fue realizada en 1933 por W igner y su estudiante Frederick Seitz en el nuevo Institu to de Estudios Avanzados de Princeton (ftrndado en 1932). Los cálculos de W igner-Seitz ftreron desarrollados más adelante por John Slater y sus estudiantes en el MIT.

La fase tem prana de Ja teoría de electrones m ecánico-cuántica de m etales se com - pJetó en 1933, cuando todo eJ cam po fue revisado p o r Bethe en el Handbuch der Phy- sik. El artículo, de casi 300 páginas, apareció bajo los nom bres de Som m erfeld y Bethe, pero estaba escrito casi en su totalidad po r Bethe, el au to r júnior. O tros artículos del


m ism o volum en trataban sobre «teoría de dinám ica de redes» y «propiedades de cristales estructuralm ente sensibles» e indicaban que la ؛؛sica del estado sólido estaba encam inada a form ar una subdisciplina científica diferenciada. La nueva subdisciplina era alem ana de nacim iento, pero se extendió rápidam ente a o tros países. En los Esta- dos Unidos, los prim eros centros de física de estado sólido fueron el departam ento de física de Slater en el M IT y el de la U niversidad de Prínceton, donde W igner daba charlas y supervisaban Seítz y John Bardeen. La institución de m ayor éxito de las orienta- das al nuevo estado sólido era quizá la Universidad de Bristol, que hasta los años treinta no había sido uno de los centros de física más im portan tes de Inglaterra. En 1930 el D epartam ento de la Investigación (Científica e Industrial (en inglés DSIR, D epartm ent for Scientific and Industrial Research) aprobó un p rogram a sobre física del estado SÓ- lido en la universidad, una iniciativa que, com o solía ocurrir, estaba más apoyada por círculos industriales y gubernam entales que p o r la propia universidad. En 1932, Nevill M ott, un físico nuclear sin contribuciones previas a la física del estado sólido, llegó a ser profesor en Bristol. A unque su profesada ignorancia de la teoría del m etal era «profunda», enseguida transfo rm ó el departam ento de física en u n centro m undial de la in- vestigación en estado sólido. M ott dijo después que «estaba fascinado de aprender que la m ecánica cuántica se podía aplicar a problem as de tal im portancia práctica com o las aleaciones de metales y esto fue, m ás que n inguna o tra cosa, lo que desvió m i interés a los problem as de los electrones en los sólidos» (Eckert y Schubert 1990, p. 91). En Bris- tol, com o en cualquier o tro lugar, la im portancia práctica de la física del estado sólido le dio a ésta una gran p rio ridad y fue u n m otivo im portan te para su apoyo económ í- co, aunque íue ط física académ ica, y no la física de ingeniería, lo que interesó a M ott y a sus colegas. La Teoría de las propiedades de metales y aleaciones, escrita po r M ott y H arry Jones en 1936, usó cálculos m ecánico-cuánticos cuantitativos adaptados a m e- tales reales y m ezclaba a voluntad consideraciones em píricas con m étodos de aproxi- m ación. A unque era «física sucia» según la escala de valores de ?auli, el libro llegó a ser u n trabajo de referencia para una nueva generación de físicos de metales. El grupo de Bristol d isfru taba de estrechos contactos con sus colegas en los Estados Unidos, tan to del m undo académ ico com o del m undo comercial, y en Inglaterra el grupo colaboraba con el Laboratorio Nacional de Física y con la industria privada. Los estrechos vinculos entre la industria y la física del estado sólido fueron m uy im portan tes después de la Segunda G uerra M undial, pero, incluso antes de la guerra, tales nexos estaban ya b ien establecidos en países com o Inglaterra, A lem ania, los Faíses Bajos y no m enos en los Estados Unidos.

Semiconductores y ٠١ auge de la comunidad del estado sólido

Flay sustancias que no pertenecen ni al típico estado metálico ni al típico estado no metálico, 'l’ales sem iconductores, tan to elem entos quím icos com o com puestos, se conocen desde m ediados del siglo XIX. Ya en 1833, Michael Faraday había observado que la resistividad del sulfito de plata decrece al aum entar la tem peratura, un com portam ien

Elementos de la física del estadc sólidc 361

to contrario al de los metales. Posteriorm ente en el m ism o siglo XIX, se descubrieron las fotocorrientes en el selenio, y en 1874 el físico alem án Ferdinand B raun observó que los contactos entre algunos materiales tenían el efecto de reetificar la corriente. £1 térm ino «sem ieonductor» (el alem án Halbleiter) parece hacer sido acuñado en 1 ل9ل . En los años treinta, la m ayoría de estas y otras propiedades sem iconductoras estaban razonable- m ente explicadas por la teoría de bandas de W ilson al ser desarrollada por un núm ero creciente de físicos del estado sólido. Se entendía que los sem iconductores eran aíslan- tes con una pequeña banda prohibida entre la banda de valencia y la banda conducto- ra. Al m ism o tiem po, los sem iconductores fueron estudiados de form a sem iex ^rim en - tal, no m enos en G otinga, donde Robert Polrl estableció una im portan te escuela en ط física del estado sólido experim ental. A finales de los años treinta, se sabía que el efecto de rectificación era un efecto conjunto, que se daba en la interfaz entre el metal y el se- m iconductor, y que los sem iconductores eran de dos tipos, el tipo م y el tipo n. Estos dos nom bres, ahora familiares, fireron in troducidos en 1941 po r Jack Scaffde Bell Labora- tories par reponer los nom bres previam ente usados de tipos de defecto y de exceso. En los sem iconductores de tipo exceso o 1Í, la mayoría de los transportadores de carga son negativos, m ientras que son positivos en el caso de los sem iconductores de tipo p o defecto. A unque existían varias teorías para la rectificación en am bos tipos de interseccio- nes (m etal a sem iconductor tan to de tipos p o ti), era difícil encontrar una explicación satisfactoria. Una teoría de m ucho éxito de contactos rectificados fue desarrollada sobre 1940, p rim ariam ente po r W alter Schottky en Alemania, M ott en Inglaterra y B. L Davy- dov en Rusia. La física de sem iconductores fue una parte m uy pequeña de la física del periodo. En 1933 se publicaron unos 60 artículos en la m ateria y, duran te los años siguientes, el núm ero de artículos decreció de m anera sostenida hasta alcanzar un pun to m ínim o de 20 en 1940.

La guerra significó un gran increm ento en la investigación de los ' en particu lar porque el silicio y el germ anio puros eran de im portancia crucial com o detectores de radar. Pue en el curso de trabajos relacionados con la guerra cuando se investigó la prim era un ión p-«, que dem ostró ser un excelente rectificador. Este tipo de rectificador ya había sido sugerido po r Davydov en 1938, pero su sugerencia atrajo poca atención en su m om ento. El acontecim iento más im portan te en la historia de la investigación en sem iconductores fue, indudablem ente, la invención del transistor a finales de 1947. La idea de extender la analogía entre un sem iconductor y un d iodo de vacío a uno incluyendo un triodo era bien conocida, y un triodo en fiincionam iento de estado sólido ya había sido constru ido antes de la guerra po r Pohl y R udolf Hllsch en Gotinga. C om o resultado de las pesquisas de la com pañía electrotécnica de gran VO-

lum en AEG (Aflgemeine E leck ti^á ts-G ese llsch a ft) , en 1938 los dos físicos desarrollaron experim entos con corrientes eléctricas controladas po r cristales. Su aparato usaba u n cristal de b rom uro de potasio y am plificaba la corriente en m ás de cien veces. Era práctico y, sin em bargo, no fue paten tado ni desarrollado con posterioridad. A unque Pohl tenía buenos contactos en la industria , no estaba interesado en reenfocar su carrera en innovaciones tecnológicas o en conseguir patentes.


Ernest Braun, u n físico el estado sólido e h istoriador de la ciencia, ha resum ido el desarrollo de la física de sem iconductores del siguiente m odo: «La historia de la física de sem iconductores no es una de grandes teorías heroicas, sino una de labor inteiigcnte y concienzuda. No son golpes de genio produciendo edificios m ajestuosos, sino una gran inventiva y u n constante vaivén entre la esperanza y la desesperación. N o eran generalizaciones barredoras, sino juicios cuidadosos en la línea divisoria entre ظ perse- verancia y la obsfínación. ?o r tan to la h istoria de la física del estado sólido en general y de los sem iconductores en particular, no es tan to sobre grandes hom bres y m ujeres y sus grandes gestas, sino sobre los héroes no reconocidos de miles de ideas astutas y de experim entos habilidosos, el avance de un obstinado ciem piés más que el de un lus- troso p u ra sangre, y p o r tan to un reflejo de u n a era de la organización más que de la individualidad» (Braun 1992, p. 474). ?ero a pesar del desarrollo generalm ente poco rom ántico de la física de sem iconductores, al cam po no le faltaban grandes hom bres o gloriosas acciones. La invención del transistor podría denom inarse una gesta gloriosa.

El transistor fue la cria tura de Bell Laboratories, que en 1945 estableció un progra- m a de investigación sobre física del estado sólido que incluía un subgrupo en física de sem iconductores dirigido por W illiam Shockley un físico del M IT que había trabajado con AT&T desde 1936. El objetivo a largo plazo de Shockley y W alter Brattain, u n experim entalista de Bell, era constru ir un am plificador de estado sólido que pudiera ser utilizado, entre otras cosas, com o un in te rru p to r de cam bio de sistemas telefónicos. En cualquier caso, no era un program a de desarrollo y el objetivo prim ario de Shock- ley y Brattain y o tros colegas era sim plem ente am pliar el conocim iento científico de las propiedades del silicio y del germ anío. Al principio, sus in tentos fallaron, pero en 1947 John Bardeen, que había llegado a Bell Laboratories dos años antes, analizó teórica- m ente los problem as de los experim entos. Bardeen concluyó que los estados energéti- eos en la superficie del sem iconductor tenían que ser tom ados en cuenta, porque los electrones pod rían haberse quedado atrapados en la superficie. La teoría de los estados de energía de superficie había sido sugerida previam ente para la superficie libre de un sólido, pero no para sem iconductores. Según Bardeen, «el rasgo novedoso no era la idea de los estados de superficie [...] sino aplicar la idea para en tender la superficie real de un sem iconductor» (Braun 1992, p. 468). Después de la explicación posterior, un gran avance experim ental siguió al gran avance teórico. El 23 de diciem bre de 1947, Bardeen y Brattain observaron el efecto transistor en el p rim er transistor de pun to de contacto, que consistía en dos electrodos m etálicos y puntiagudos conectados a un cristal de germ anlo. El nom bre «transistor» se usó com o form a abreviada de transfer resistor o resistencia de transferencia. Después de u n periodo de secretisnro de m edio año, el am plificador de estado sólido o triodo de cristal, com o se llam ó al invento, fue dado a conocer en una conferencia de prensa y se inform ó de él, sin fanfarria, en el New York Times del 1 de julio de 1948. En cualquier caso, aunque era una invención de gran alcance, el transisto r de pu n to de contacto ten ía los días con tados y de hecho quedó obsoleto tan p ro n to com o fue p roduc ido . Fue ráp id am en te sustitu ido p o r el tran - sistor de un ión p-n basado en una teoría que Shockley desarrolló en 1948, pero la cual

Elementos de la física del estadc sólido 363

la Physical Review rechazó publicar porque pensaron que carecía de base teórica. Fue este trabajo el· que hizo a Shockley com partir el prem io N obel de 1956 con B rattain y Bardeen p o r «sus investigaciones sobre sem iconductores y su descubrim iento del efec- to transistor», y fue este trabajo, incluido en el libro de Shockley de 1950 Electrons and Holes in Semiconductors (Electrones y agujeros en semiconductores), el que cim entó la electrónica del estado sólido m oderna.

La celebrada invención del transistor ftre uno de los acontecim ientos que hicieron que la física de sem iconductores, y la física del estado sólido en general, floreciera en los años cincuenta. £1 crecim iento explosivo se ilustra por las publicaciones sobre físi- ca de sem iconductores: entre 1948 y 1955, el núm ero de artículos por año se incre- m entó de 20 a casi 400. La década de los cincuenta fue la época en que la física del estado sólido realm ente se convirtió en u n a disciplina científica independiente y en una com unidad social de una nueva cam ada de físicos. Las señales que m uestran que una especialidad científica se ha desarrollado en una com unidad incluyen norm alm ente libros de texto, cursos universitarios, cargos designados, conferencias, sociedades profesionales y publicaciones especializadas. Algunos de estos indicadores existían antes de la guerra, pero la m ayoría llegó sólo en los años cincuenta. D urante los años de guerra, hubo m ucho debate en la A m erican Fhysical Society acerca de la form ación de las nuevas divisiones, lo cual era un deseo sobre todo entre los físicos de física aplicada, qule- nes sintieron que sus áreas de investigación no estaban suficientem ente bien representadas o respetadas en la organización existente. En 1944 se realizó una p ropuesta de form ar una división del estado sólido, o una división de física del m etal, com o se lia- m ó al principio. La división fue finalm ente aprobada en 1947, y desde aquel año se puede hablar de «físicos del estado sólido» com o científicos, no únicam ente involu- erados en un área en particu lar de investigación, sino pertenecientes tam bién a una CO- m un idad científica distinta de las demás. Tuvieron que pasar varios años hasta que la nueva disciplina fuera im pulsada, siendo una de las razonas de este retraso ط com petencia con la disciplina de la física nuclear, que en la época estaba desarrollándose con extrem a velocidad y vigor. En efecto, la física nuclear y de partículas pareció m onopo- lizar la física estadounidense duran te u n cierto periodo. No solam ente estaba este cam - po generosam ente apoyado p o r los fondos federales y privados, sino que tam bién te- nía una reputación intelectual y cognitiva com o ciencia «heroica», con la cual ninguna otra ciencia podía com petir. La física del estado sólido, p o r o tro lado, había sido tradicionalm ente considerada com o m enos valiosa po r sus conexiones con la industria y ser un dom inio m enos fundam ental de la naturaleza. Todavía tenía entre algunos científi- eos u n aura de «física sucia». Slater dijo con posterioridad que en el M IT «nuestro departam ento a m enudo era m irando po r encim a del hom bro, en cierto m odo, por aque- líos que pensaban que n ingún físico im aginativo estaría en n ingún cam po que no ftrera el nuclear o de la física de altas energías» (W eart 1992, p. 656).

Sin em bargo, la nueva com unidad del estado sólido dem ostró ser m uy com petitiva, incluso con la m ás glam orosa disciplina de la física nuclear. D uran te m ucho tiem - po, la física del estado sólido no tuvo su publicación propia; no la necesitaba realm en


te, p o r la siem pre en expansión Physical Review, que hacía las funciones de un m uestrario de una gran parte de la literatura más valiosa del estado sólido. En 1964, la revista se publicó en dos secciones, una de las cuales tenía que ver principalm ente con el estado sólido y la o tra con la física nuclear y de partículas. C uando se separó en dos publicaciones separadas en 1970, Physical Review B se dedicaba a los sólidos y era más grande que la Physical Review A. En el sentido del personal científico, había unos 350 doctores estadounidenses de física del estado sólido en 1951 o una décim a parte apro xim ada de la población de físicos estadounidenses y m enos de la m itad del núm ero de doctores de física nuclear. Diez años después, la situación había cam biado de m odo sustancial, no porque la física nuclear se hubiera convertido en m enos popular, sino porque la física del estado sólido había despegado. A hora había unos dos mil doctores en física del estado sólido en los Estados U nidos, casi tantos com o físicos nucleares. Se ha estim ado que el presupuesto total para la física del estado sólido en la época estaba en el orden de los 100 m illones de dólares.

Gráfico 24.1. Producción acumulada de artículos sobre física del estado sólido y otros varios subcam- pos de la física. Fuente: Menard 1971. Reproducido con permiso de la editorial de Science, Growth and Change, de Henry W. Menard, Cambridge, Massachusetts, Harvard University Press, derechos reservados (©) 1971 por the President and Fellows o f Harvard College.


El crecim iento fenom enal de la física del estado sólido en el periodo de 1950 a 1968 se ilustra en el gráfico 24.1. Nótese que la tasa de crecim iento era un poco m ayor que en la categoría «Atómica, m olecular y de partículas» (que incluye física nuclear) y que en 1965, el núm ero de artículos sobre estado sólido había sobrepasado a los de la categoría de las partículas. U n factor im portan te de crecim iento fúe el auge de la industria de sem iconductores y de otras industrias donde se veía útil la física del estado sólido. M ientras que en la física estadounidense en general, la p roporción entre físicos em pleados en la industria y en la educación superior era de un aproxim ado 1:2, la p ro porción entre los físicos de estado sólido era la inversa, de un 2:1. La filiación con la in dustria se ilustra posteriorm ente p o r la estructu ra del apoyo financiero: aunque la física de altas energías atrajera el m ontan te m ayor de inversión federal, la física del estado sólido era con diferencia, la m ayor receptora de dinero industrial (tabla 24.1). Las cifras dadas aquí son de la física estadounidense, que era la com unidad nacional m ayor y la única de la cual hay datos disponibles. La situación en otros países no era sustancialm ente distinta, pero existía en una escala m en o r y las tendencias en el desarrollo vinieron algo más tarde. Según un estudio de publicaciones de estado sólido de 1961, los Estados U nidos y la U nión Soviética, cada uno de ellos, contaban con un cuarto aproxim ado de los artículos. G ran Bretaña y Japón contaba jun tos con otro cuarto y Francia y Alem ania jun tos aproxim adam ente con una décim a parte. A partir de ahí les seguían las naciones científicas m enores, incluyendo Italia, los Países Bajos, Suiza y D inam arca.

TABLA 24.1Los cuatro m ayores subcam pos de física básica en EEUU en 1970

Campo Federal (nacional) Industrial Total Porcentaje

Altas energías 150 — 150 27

Estado sólido 56 80 136 24

Plasm as y fluidos 77 10 87 16

N uclear 73 2 75 13

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

Grandes avances en superconductividad

C om o se hace m ención en el capítulo 6, la superconductiv idad era un com pleto enigm a en los años veinte. Con la teoría de los metales de Bloch de 1928, cuajaron nuevas esperanzas de en tendim iento del fenóm eno y m uchos físicos teóricos em pezaron a aplicar las nuevas ideas del estado sólido al caso de la superconductividad. Los n o m bres de aquellos involucrados en el esfuerzo dan lugar a una lista im presionante de fí


sicos de elite: Bohr, Heisenberg, Bl©ch, Landau, Brillouin, Frenkel, Kronig, Bethe, Ca- sim ir y Pauli estaban entre aquellos que, de m anera optim ista, tra ta ro n de resolver el problem a. En eualquier caso, todas sus astutas ideas fracasaron. Bloch, que trabajó duram ente en la superconductividad alrededor de 1931 (pero que nunca publicó su trabajo) posteriorm ente recordó que «estaba tan desanim ado por m i resultado negativo que no encontré o tra form a de progresar, y duran te un tiem po considerable sólo me m antuvo la dudosa satisfacción de ver que otros, sin notarlo, seguían cayendo en la m isma tram pa. Esto me llevó a la declaración burlona de que todas las teorías de superconductividad pueden ser refutadas, más tarde citada en la form a más radical del “teorem a de Bloch’: la superconductividad es imposible» (Gavroglu y Goudaroulis 1989, p. 77).

El fracaso de los teóricos estaba de algún m odo com pensado po r el progreso realizado p o r los experím entaiistas, siendo el m ás im portan te el descubrim iento del efecto M eissner en 1933. W alter M eissner y Robert Ochsenfeld, dos físicos del ?hysikalisch- Technische Reichsanstalt de Berlín, descubrieron que cuando un cilindro sólido de ho- jalata o p lom o era enfriado p o r debajo de su pu n to de transición en u n cam po mag- nético constante, las líneas de fuerzas eran expulsadas repentinam ente del m etal. El carácter diam agnético de los superconductores era to talm ente inesperado, y encaraba a los teóricos con o tro fenóm eno m ás que necesitaba una explicación y ser incorporado en sus m odelos teóricos. El efecto M eissner daba un estím ulo im portan te a la pri- m era teoría satisfactoria de la superconductividad, una teoría m acroscópica desarro- liada en 1935 p o r los herm anos Frítz y Heinz London, que en aquella época eran físicos reftrgiados en Inglaterra. La teoría p roporcionaba ecuaciones electrom agnéticas que describían la desaparición de la resistencia en u n superconductor, así com o el carácter diam agnético, que los herm anos London consideraban com o una propiedad ؛n trínse- ca de los m etales superconductores. A pesar de este éxito, se percibió que la teoría Lon- don-L ondon no era ط respuesta final al problem a de la superconductividad, al ser una teoría fenom enológica y no explicar los fenóm enos en una escala microfísica.

Después de 1945, el trabajo teórico sobre la superconductiv idad con tinuó con vigor renovado, ahora asistido no sólo por las herram ien tas de la teoría del estado sóli- do sino tam bién de la teoría cuántica de cam pos. Entre los que contribuyeron a la nueva fase se incluyen estrellas com o Landau, Born, H eisenberg y Feynm an, pero el problem a parecía ser tan difícil de resolver com o antes de la guerra. Feynm an com - p artía con Bloch la fascinación hacia la superconductiv idad, así com o su frustración p o r no ser capaces de resolver el problem a, ?oco antes de su m uerte , Feynm an dijo: «invertí m uchísim o tiem po in ten tando entenderlo y haciendo todo lo que podía para poder aproxim arm e a ella [...] desarrollé u n bloqueo em ocional con tra el p roblem a de la u p erco n d u c tiv id ad , así que cuando supe del artículo de BCS [B ardeen-C ooper- Schrieffer] no fui capaz de leerlo d u ran te m ucho tiem po» (M ehra 1994, p. 430). Fue u n físico m enos im po rtan te el que dio un paso significativo hacia u n a teo ría m icros- cópica. H erbert Fróhlich, u n físico alem án que había em igrado a Inglaterra du ran te el régim en nazi, sugirió en 1950 que la superconductiv idad podría ser el resultado de una interacción entre electrones producida p o r las vibraciones cuantizadas de la red


cristalina (los llam ados fonones). A poyándose en esta idea y haciendo uso de m éto- dos de la teoría cuántica de cam pos, desarrolló una teo ría que im plícitam ente conte- nía el resultado de que una tem pera tu ra crítica decrecería con la m asa atóm ica del superconductor. In ten tos m ás tem pranos de m edición de u n a dependencia de la tem p era tu ra con relación a la m asa habían dado resultados negativos y, hasta 1950, no hubo razones teóricas para creer en un efecto isotópico. £1 efecto fue, no obstante, descubierto en 1950, y Fróhlich ahora se daba cuenta de que su teoría incluía la pre- dicción de que la tem pera tu ra crítica variaría con el inverso de la raíz cuadrada de la m asa atóm ica. C uando los experim entos realizados posterio rm ente en 1950 confir- m arón la variación M “1/2, n a tu ra lm en te fueron in terpretados com o u n gran apoyo a la teoría de Fróhlich. Sin em bargo, aunque fue u n avance notable, la teoría no era aceptable porque no explicaba la in teracción electrón-fonón; en 1955 Bardeen y Da- vid Fines tam bién h icieron constar la repulsión directa de C oulom b en tre dos electrones y m ostra ron que, incluso bajo estas condiciones m ás realistas, habría una atracción ante bajas energías.

£1 avance realm ente im portan te vino en 1957, con la interacción com binada elec- tró n -fo n ó n y con el conocim iento de que los electrones con espines opuestos pueden fo rm ar pares de bosones adheridos en metales, com o resultado de la interacción de atracción entre electrones dirigidos a través de la red. Tales «pares de Cooper» ya ha- bían sido sugeridos en 1946, en un contexto quím ico, pero no fue hasta 1956 cuando León C ooper le dio una justificación teórica a la idea. Además, sugirió que los pares de- berían ser tra tados no com o entidades discretas, sino de m anera colectiva. Al año si- guíente, C ooper ju n to con sus colegas de la Universidad de Illinois lohn Bardeen y John Schrieffer, desarrolló la hipótesis del par electrón en una teoría m icroscópica detallada de superconductividad. Bardeen había dejado Bell Laboratories p o r Illinois en 1951 y Schrieffer era su doctorando , dedicado a la superconductividad. La teoría de los tres hom bres, después conocida com o la «teoría BCS» adscribía el estado de superconductividad esencialm ente a una condensación de electrones en pares de C ooper con un m om ento com ún y siendo representados por una función de ondas única coherente. La teoría de Bardeen, C ooper y Schrieffer explicaba todos los hechos experim entales conocidos de superconductiv idad e hizo unas cuantas predicciones cuantitativas novedosas, las cuales eran rápidam ente confirm adas. Com o resultado, la teoría BCS fue aceptada com o la respuesta correcta, si no ظ final, a ط vieja pregunta de p o r qué algunos metales son superconductores. C om o dijo Bardeen, «si existía una discrepancia, norm alm ente se encontraba, al repasarlo, que se había com etido u n erro r en el cálcu- lo. Todos los hechos enrevesados de los superconductores a p a rtir de entonces encajaban lim piam ente, com o las piezas de u n rom pecabezas» (Bardeen 1973, p. 35). Los tres físicos estadounidenses recibieron el p rem io Nobel de 1972 en reconocim iento a su gran avance teórico, Bardeen p o r segunda vez, siendo el único físico doblem ente laureado. O tro prem io N obel le siguió en el despertar de la teoría BCS, cuando el físico británico de 22 años Brian Josephson predijo que el estado superconductor cuántico debería ser capaz de filtrarse a través de u n a barrera entre dos m ateriales supercon


ductores. El efecto Josephson, predicho en 1962, fue confirm ado experim entalm ente de m anera rápida y usado en la tecnología de m edición avanzada.

La teoría BCS no fue sólo un triunfo de ظ teoría del estado sólido cuántica, sino que tam bién reafirm ó la validez universal de la m ecánica cuántica no relativista. A m ediados de los cincuenta, llevaba buscándose desde hacía un cuarto de siglo una teoría micros- cópica de la conductividad, y la falta de éxito podía hacer sospechar razonablem ente la indicación de alguna debilidad en la estructura de la propia mecánica cuántica. En una carta dirigida a Landau en 1954, Feynman contaba que, aparte de la gravitación, era el único fenóm eno que todavía se resistía a una explicación en térm inos de m ecánica cuán- tica. Tres años antes, la lista de fenóm enos problem áticos se redujo de dos a uno. Desde luego el éxito de la teoría BCS no significaba un final para el trabajo teórico en superconductividad; al contrarío, estim ulaba m ucho nuevos trabajos, tanto en superconductividad com o en otras áreas de física teórica. A lo largo de la m ayor parte de su historia, la teoría de la superconductividad hizo uso de avances teóricos en otros cam pos, especialmente en la teoría cuántica de campos. La transferencia teórica ،fíe facilitada por el hecho de que varios de los científicos interesados en superconductividad venían de o te- nían una sólida form ación en la teoría cuántica de cam pos y física de partículas elemental: Fróhlích y Cooper, por ejemplo, eran expertos en estas áreas, que en apariencia eran tan distintas de la m ateria condensada a m uy bajas tem peraturas.

La superconductividad, especialm ente después de la teoría BCS, atrajo a físicos teó- ríeos que pensaron que m erecía la pena investigar las conexiones entre la teoría de superconductores y la m ucho m ás general teoría cuántica de cam pos. ?٥٢ ejem plo. Yo؛- chiro N am bu exploró la analogía entre las dos teorías de m anera sistem ática, y aplicó los m étodos de la electrodinám ica cuántica a la superconductividad. La teoría BCS no era invariante de gauge y varios teóricos, v iendo esto com o un defecto, in ten taron a p artir de ésta fo rm ular una versión invariante de gauge, sin perder el poder explicati- vo de la teoría. N am bu probó en 1960 que la falta de invariancia de gauge no es un defecto, sino que refleja la naturaleza de la superconductividad, en otras palabras, el hueco de energía dependiente de gauge. N am bu no solam ente estaba interesado en explorar la superconductividad, sino que tam bién percibió la existencia de una llam a- tiva analogía m atem ática entre las dos teorías y que los m étodos de la teoría de superconductividad podrían , p o r tanto, ser usados para resolver problem as en la teoría cuántica de cam pos (véase capítulo 22).

El estatus de la teoría BCS no sufííó afecciones significativas por los refinam ientos y generalizaciones que tuvieron lugar después de 1957 y, hasta los años setenta, el cam po de la investigación de superconductores puede que pareciera am pliam ente completado, al m enos en lo concerniente a la teoría, ya que los eêrim en ta lís tas estaban ocupados aplicando el conocim iento teórico y buscando nuevos superconductores con mayores tem peraturas críticas (T ) ; este tipo de trabajo no tenía m ucho que ver con la teoría y sí m ucho con los experim entos sistemáticos y el saber de la profesión. John Hulm y Bernd M atthias, un inglés y un suizo que habían trabajado en los Estados Unidos, investigaron las propiedades de bajas tem peraturas de los com puestos de metales de transición y ma-


feriales similares. La nueva clase de superconductores («tipo 1ز»ل tenía cam pos magnéti- eos críticos m uy grandes en com paración con los superconductores ordinarios. En 1953 H ulm y M atthias encontraron materiales (V3Si y N b؛Sn) con una '/أ alrededor de 18 K, una m odesta m ejora con relación al registro previo de 15 K registrado po r físicos alemanes en 1941. Experim entos ulteriores con otros materiales aum entaron el registro a 23 K, una tem peratura obtenida en 1973 para u n com puesto de niobio-germ anio. Las previ- siones de superconductores de T. alta, y después, posiblemente, un gran avance en el uso práctico de la tecnología de los superconductores, parecían tenues hasta m ediados de los ochenta, década en la cual آ . Georg Bednorz y K. Alex M üller en el Laboratorio de Inves- tigación de IBM en Zurich se concentraron en las llamadas perovskitas, una clase de m؛ ̂nerales de m etal-óxido (cerámicos). Los físicos alem án (Bednorz) y suizo (M üller) encontraron en 1986 que un sistema Ba-La-Cu-O tenía una T de 35 K, un descubrim iento que estim uló una oleada de trabajos en laboratorios de bajas tem peraturas en todo el m undo. También era un reto para los teóricos, ya que la teoría BCS fracasó al explicar el nuevo tipo de superconductividad. Equipos liderados por Chung-W u C hu en H ouston y su antiguo estudiante, M aw-Kuen Wu, en Alabama investigaron sobre un m aterial Y- Ba-Cu-C e inform aron a principios de 1987 que era superconductor incluso en nitróge- no líquido ordinario. Una de las prim eras cosas que hizo Chu fue redactar una solicitud de patente. La T = 90 K com unicada fue enseguida confirm ada y com enzó un desarro- lio explosivo en la investigación de superconductividad a alta T ,c o n la reunión de m arzo de 1987 de ظ Am erican Physical Societ)' com o un prim er clímax. M ás de 4.000 físicos asistieron a la tum ultuosa sesión, conocida com o el «W oodstock de la Física» sobre las nuevas cerámicas ^ e rc o n d u c to ra s . Hasta agosto de 1987, el Physical Review Letters ha- bía recibido más de 300 m anuscritos sobre superconductividad a alta Tc, El año siguiente un grupo japonés anunció superconductividad a ¡10 K y, posteriorm ente en ese año, un grupo estadounidense obtuvo ^ = 1 2 5 K e n una cerámica de Tl-Ca-Ba-Cu-O. En 1995, el registro fue sobre 164 K, obtenido por un m aterial de H g-Ba-Ca-Cu-O bajo pre- sión (gráfico 24.2). La im portancia del descubrim iento de Bednorz y M ííller fue reconocida por el com ité Nobel en Estocolmo, que entregó el prem io a los dos físicos en noviem bre de 1987, haciendo que fuera uno de los reconocim ientos más rápidos de ظ historia de los premios.

U na razón fundam ental para el entusiasm o con que fue recibida la superconductividad a alta T era la posibilidad de que el descubrim iento pudiera desarrollarse en tec- nologías para el m ercado comercial. Ya en julio de 1987, cuando la Conferencia Fede- ral sobre Aplicaciones Com erciales de la Superconductividad se reunió en W ashington, D.C., el cam po naciente había dado a luz a u n negocio en expansión de las ^ b lic a c io - nes científicas, incluyendo siete boletines sem anales cubriendo las últim as novedades. Los científicos japoneses y los intereses económ icos estaban particu larm ente activos en la carrera para com ercializar la superconductividad e invertir los recursos que fueran necesarios para ganar la carrera. Las adm inistraciones y la industria privada firndaron el In ternational Superconductivity C enter (ISTEC) o C entro In ternacional de Super- conductividad, con el propósito de desarrollar tecnologías com ercialm ente útiles basa-


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

das en la superconductividad a alta T . El IST E C era un consorcio abierto a com pañías en todo el m undo pero, de hecho, casi todas las com pañías-m iem bro eran japonesas. Para participar de pleno en el program a, una com pañía debía pagar unos 800.000 dó lares inicialm ente y posteriorm ente 110.000 dólares al año. De este m odo, el ISTEC se garantizaba unos fondos iniciales de 35 m illones de dólares en 1988 y 5 m illones anuales a p artir de entonces. Las com pañías japonesas encon traron justificadas dichas in versiones; predecían que la superconductividad coparía un m ercado anual de 30.000 m illones de dólares anuales en el año 2000, pero la predicción era dem asiado optim ista. C om o en el caso de investigación de la fusión, el cam ino desde el descubrim iento científico hasta la innovación tecnológica se convirtió en m ucho más difícil e incierto que lo esperado.

CAPÍTULO 2 5

Física de ingeniería yelectrónica cántica

Todo comenzó con ٠■ tra n s is to r

De acuerdo « ١١٦ una encuesta realizada en 1951 entre los m iem bros de la Am erican Physical Society, el 42 p o r 100 de los físicos trabajaba en ط llam ada física m oderna, definida com o teoría cuántica, física nuclear, electrónica y física atóm ica y m olecular, y sólo el 27 po r 100 trabajaba en la «vieja física» de teoría clásica, acústica y óptica. £1 cam po m ás popu lar resultó ser la electrónica, con el 18 p o r 100 de los encuestados que la identificaban com o «cam po predoin inante de esencialización»; en el segundo pues- to estaba la física nuclear, con el 15 po r 100. La fascinación po r la electrónica, que en la época todavía significaba circuitos de válvulas de vacío, aceleró y tom ó un nuevo giro cuando los dispositivos de estado sólido com enzaron a sustitu ir a las válvulas. £1 transisto r de pun to de contacto de gernianío de 1948 fue un triunfo de la física del estado sólido, pero no fue un gran triunfo com ercial (véase capítulo 24). No sólo era di- fícil el desarrollarlo com o producto industrial -W estern Electric em pezó a fabricarlo en 1951- sino que tam bién los transistores eran caros y funcionaban de m anera bastante pobre com parados con las válvulas electrónicas en m iniatura, con las que com petían: por ejemplo, eran ruidosos, no m uy fiables y sensibles a la hum edad y a las distorsiones mecánicas, y en m uchas ocasiones u n transistor salía con distintas características com- parado a otro de su m ism a serie. Tres años después de ظ invención de Brattain y Bar- deen, no era obvio que el transistor tuviera n inguna aplicación práctica.

U na posible solución para los problem as era reem plazar el transistor de puntas por uno de un ión pero, p o r un tiem po, la idea de Shockley se m antuvo en el cam po teóri- co. Según el relato de dos historiadores, «Shockley podía diseñar cualquier cantidad de am plificadores sem iconductores usando estas uniones en cualquier configuración im aginable, pero sus bocetos se quedarían básicam ente com o una form a de onanism o m ental hasta que el arte de la fabricación de un iones finalm ente llam ara la atención de su inventiva explosiva» (R iordan y H oddeson 7 ل9و , p. 177). Los problem as prácticos

Física de iêniería y electrónica cuántica 373

7.000

6.000

ج 3.000ي

ه 4.000ة ощ 3.000ه

2.000

٨ ٨ ١ ٨

1958 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

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

A unque la em presa de Sh©ckley no obtenía éxito com ereial, indirectam ente era de gran im portancia por ser la fuente de otras cuantas pequeñas firm as establecidas por antiguos em pleados. U no de estos «traidores» (com o los llam aba Shockley) fue Robert Noyce, quien fundó una com pañía de sem iconductores asociada con Fairchild, una fir- m a de instrum ental. Los científicos en Fairchild Sem iconductor presentaron nuevos procesos de fabricación de transistores de silicio, que dieron lugar al transistor «mesa», innovador y de altas prestaciones, en 1957. En este aparato, el funcionam iento del transistor estaba restringido a una pequeña capa de superficie oxidada p o r un m étodo CO-

nocido com o tecnología planar. El m étodo era adecuado para hacer circuitos integrados de num erosos transistores de silicio o germ anio en u n úuíco bloque de sem iconductor

o sea, sin el uso de cables conectares-. La idea de un circuito sem iconductor integrado estaba en el aire y Noyle pidió una patente po r su invento en verano de 1959. En el m ism o año pero antes, y sin saberlo Noyle, o tra patente sim ilar había sido pedida po r Jack Kilby, un científico retirado que colaboraba con Texas Instrum ents. El p rim er circuito integrado «m onolítico» de Kilby incluía tres resistencias, un condensador y un transistor constru ido en una pieza de germ anio. La invención del circuito integrado, realizada de m anera independiente por Noyle y Kilby inició un nuevo capítulo en la


historia de Ja ̂؛ ^ e l e c t r ó n i c a . Este nuevo capítulo se desarrolló de una m anera m arcadam ente sim ilar al capítulo an terio r de los transistores: Jos prim eros circuitos integrados de Texas Instrum ents eran ro؛ h ib itiv o s en su precio y fueron com prados casi exclusivam ente p o r los m ilitares, el p rim ero po r Ja fuerza aérea. En 1962, eJ precio medio de u n circuito in tegrado era de 50 dólares y todos los circuitos eran com prados por los militares. El total de gasto federal en electrónica ese año fue de 10.000 m illones de dólares, de los cuales 9,2 m il m illones los gastaba el D epartam ento de Defensa. Cuan- do los precios em pezaron a dism inuir, el porcentaje de com pra m ilitar tam bién dism i- nuyó. En 1968, el precio m edio había bajado a 2,30 dólares y m enos de la m itad de los circuitos integrados iban para los militares.

En los años sesenta, la tecnología de circuitos in tegrados se desarrolló en gran m e- dida gracias a Texas Instrum ents, Fairchild y otras firm as especializadas. La idea de un transisto r de efecto de cam po (o FET p o r sus siglas en inglés, Field-Effect Transistor), es decir, uno en el que la corrien te a través de u n a capa fina sem iconductora sea m o- dulada aplicando u n cam po eléctrico externo, fue concebida p o r Shockley en u n a fecha tan tem prana com o 1945. En cualquier caso, hicieron falta quince años hasta que los científicos en Bell Laboratories tuv ieran éxito en desarro llar un transisto r de efec- to de cam po práctico a la m edida del transisto r de m etaJ-óxido-silicio (o M OS). Este tipo de transisto r se vio que estaba indicado para circuitos in tegrados porque los tran - sistores M OS pod ían em paquetarse de m anera m ás densa y requerían m enos energía. A m ediados de los sesenta, los circuitos in tegrados en traban en el m ercado civil y enseguida fueron desarrollados en m icroprocesadores, siendo éstos usados para ordenadores y para m uchas o tras cosas. En 1963 la industria e l e c t r ó n ^ estadounidense produjo transistores p o r valor de 252 m illones de dólares. De éíitos, el 37 p o r 100 fue utilizado po r la industria , sobre todo en o rdenador^؛ , y el Í 6 po r 100 po r consum í- dores. ر

El desarrollo com pleto, de una im portancia obvia para el m undo m oderno , em pe- zó con el transistor, un producto de la física del estado sólido. En su m anual sobre se-

' de 1950, Shockley especuló brevem ente sobre el fu turo de la electróni-ca de transistores. Su especulación estaba m ás cercana a la realidad de lo que podía suponer: «Aquellos que han trabajado intensam ente en el cam po com parten el sentí- m iento del au to r de u n gran optim ism o en relación con las potencialidades últituas. A la m ayoría de Jos trabajadores les parece que se ha abierto u n área com parable al área entera de electrónica del vacío y de descarga de gas». EJ cam bio que ocurrió con el sal- to a circuitos integrados en los años sesenta fue m enos radical que el salto an terio r desde las válvuJas elctrónicas a los transistores discretos. Los circuitos integrados no su- ponian una nueva física y eran, al contrario que el transistor, desarrolladas por ingenieros y científicos industriales más que p o r investigadores físicos. Noyce y Kilby difícilm ente hubieran sido candidatos serios a Jos prem ios Nobel (aunque podrían haber sido nom inados). A propósito del circuito integrado, Kilby apuntó : «en contraste con Ja invención del transistor, ésta era una invención con relativam ente escasas implicaciones científicas [...] C iertam ente en aquellos años podría uno decir sobrada

Física de ingeniería y electrónica cuántica 375

m ente que había contriuid© m uy poco al pensam iento científico», © tro partic ipan te en el desarrollo tem prano de los circuitos integrados, Douglas W arschaucr, sugirió que, alrededor de 1960, «los ingenieros y tecnólogos en su gran m ayoría ya no escuchaban a los científicos de investigación básica y realm ente no estaban m uy interesados en lo que los científicos básicos estaban haciendo (Braun y M acD onald 1978, pp. 103 y 138). ?ero, aunque la industria de los sem iconductores sólo estaba rem otam ente em paren- tada con los desarrollos en física pura, la aseveración de Kilby de que el circuito integrado «contribuyó m uy poco al pensam iento científico» difícilm ente puede considerarse correcta. De m odo indirecto, las innovaciones en la m icroelectrónica fireron enorm em ente im portan tes para el pensam iento científico, en concreto, a través de los instrum entos electrónicos que revolucionaron m uchas ram as de las ciencias experi- m entales. C ualquier experim ento m oderno de la física de altas energías, cualquier ob- servación astrofísica y cualquier trabajo im portan te en física de m ateria condensada experim ental dependen de m odo crucial (aunque norm alm ente sin reconocim iento) de la técnica de los circuitos integrados inventados po r Kilby y otros.

El microondas) ٠١ láser y la óptica c u á n tica

ا£ láser, uno de los más im portan tes y versátiles instrum entos científicos de la físi- ca d e ^ p o s g u e r r a , era el descendiente directo del nráser o am plificador de m icroondas, y el p ropio m áser era el hijo de la ciencia de radares y tecnología del tiem po de guerra. A unque la espectroscopia de m icroondas de gases fue inventada antes de 1940, el trabajo en radares y de los equipos sobrantes de radar provocaron un vuelco en la especialidad y la convirtieron en un cam po sofisticado y rápidam ente cam biante en 1950. De acuerdo con la evaluación de un historiador, «la espectroscopia m olecular a través de la absorción de m icroondas en gases, es, sin ningún género de dudas, el pri- m er ejem plo de un cam po floreciente de investigación física creada -e n todos los sen- tid o s- por el radar» (Form an 1995, p. 422). Las m icroondas no sólo eran de gran interés para los físicos, sino que no eran de m enor interés para los militares estadounidenses, que querían saber cóm o construir una fuente de ondas milimétricas. £sta no era una labo r sencilla para los aparatos electrónicos existentes, com o los m agnetrones y los klys- trones, ya que éstos no estaban diseñados para alcanzar este rango de longitudes de onda.

Después de haberse graduado en Caltech en 1939, Charles Towncs estuvo ocho años en Bell Laboratories, donde trabajó con aparatos de radar y de navegación. En 1948 se un ió al Laboratorio de Radiación de la Universidad de C olum bia. Este labora- to rio estaba subvencionado principalm ente por los servicios m ilitares (el C uerpo de Señales y la Oficina de Investigación Naval, O N R p o r sus siglas en inglés), que estaban interesados en m agnetrones que aportaban longitudes de ondas m uy cortas. A finales de 1949, los investigadores del Laboratorio de Radiación habían desarrollado m agnetrones que podían generar m icroondas de 3-4 ١١١١١١؛ en 1951, Townes alcanzó una longi- tu d de onda récord de poco m ás de 1 m m ; sin em bargo, los m agnetrones de m ilím e- tros vio que eran básicam ente inútiles en su sentido práctico. Eran insuficientes, m uy


caros y tenían tiem pos de vida que raram ente excedían de las dos horas. En ط prim a- vera de 1951, com o consultor de ©NR y director de su C om ité C onsulto r sobre la Ce- neración de O ndas M ilim étricas, Townes lanzó la idea de cóm o generar las ondas de un a m anera com pletam ente diferente. La idea de Townes era la de usar los propios osciladores de la naturaleza, las m oléculas y los átom os, y usar em isión estim ulada en un haz de m oléculas com o fuente para ondas m ilim étricas fuertem ente ؛إ nu lificadas. Una idea sim ilar fire sugerida de m anera independiente p o r Joseph Weber, quien sin embargo no desarrolló su proyecto en un aparato práctico (éste es el m ism o W eber que conocim os en el capítulo 23, que afirm aba haber detectado las ondas gr¿ivit؛؛cionales). La base científica de la innovación de Townes, el concepto de em isión estim ulada, vol- vió a la teoría de radiación de Einstein de 1917, pero fue un concepto que no recibió m ucha atención hasta los años cincuenta.

En u n crucial experim ento de 1950, Edward Purcell y Robert Pound ’ la em isión estim ulada y tam bién la inversión de la población -e s to es, la existencia de condiciones de no equilibrio de un estado de una m ayor energía m ás poblada que el estado de baja energía. Para traer m oléculas desde el estado de energía m enor al mayor, pueden ser «bom beados» ópticam ente, o sea, excitados p o r la absorción de fotones entrantes. El m étodo de bom beo óptico fue propuesto originalm ente por el fisico francés Alfred Kastler en 1950 y verificado e ^ r im e n ta ln re n te p o r su g rupo en París dos años después. La em isión estim ulada, la inversión de la población y el bom beo óp- tico fueron ingredientes clave en el máser, pero hasta 1951 vivieron p o r separado y no desem peñaron u n papel determ inante en la física. El ú ltim o ingrediente crucial fue la idea de usar una cavidad resonante para producir un feedback positivo y desde ahí obtener una ganancia neta de energía, un proceso que Townes describió ' ' com o una «reacción [molecular] en cadena autosostenible». En 1951 los ingredientes principales del m étodo m áser eran bien conocidos, pero antes de Townes nadie los ha- bía com binado con el p ropósito de am plificar m icroondas. U na deTas razones del tar- dio desarrollo del concepto de m áser podría ser el haber c o n ju g a d o el conncim entó del físico con el ingenieril. Townes escribió, posteriorm ente, que «las necesarias ideas !^cán ico -cu án ticas no se conocían o no eran apreciadas en general entre los ingenieros eléctricos, m ientras que los físicos [...] con frecuencia no estaban fam iliarizados con los conceptos propios de la ingeniería eléctrica. Es com prensible que el crecim ien- to real de este cam po viniera poco después de la Segunda G uerra M undial, ya que ésta llevó a m uchos físicos a la fron tera entre la m ecánica cuántica y la ingeniería eléctrica» (Brom berg 1991, p. 222).

La nueva idea de Townes de mayo de 1951 fue el concepto de m áser o «aparato para ob tener m icroondas cortas a partir de sistemas atóm icos o m oleculares excitados» com o lo titu laba en su cuadernillo de laboratorio . En vez de hacer que las moléculas respondieran de m odo pasivo al estím ulo de u n haz de electrones, Townes concibió ظ idea de m oléculas resonantes que generaran las m icroondas y adem ás llevaran consigo la energía y la frecuencia. O tros físicos del Laboratorio de Radiación de C olum bia no confiaban en la idea y argum entaban que un m étodo alternativo de generación de


m icroondas, basado en la radiación Cherenkor, parecia más proi^ctedor. De todos m o- dos, Townes se m antuvo con su idea de osciladores m oleculares y, en la prim avera de 1954, obtuvo el p rim er éxito en la form a de detección de oscilaciones de m oléculas de am oníaco. Con el am plificador de 1,25 cm que construyó jun to con lam es C ordon y H erbert Zeiger, Townes pudo dem ostrar la existencia del p rim er «m aser», u n acróni- m o del inglés m icrow ave a m p lifica tion by s tim u la te d em ission o fra d ia tio n , o am plifica- ción de m icroondas a través de em isión estim ulada de radiación, o com o fue presentado en el p rim er inform e para el P hysica l R eview , «un aparato experim ental que puede ser usado com o un espectróm etro de m icroondas de m uy alta resolución, un am plificador de m icroondas o un oscilador m uy estable». El térm ino m áser fue acuñado en un artículo m ás com pleto de 1955 titu lado «El Máser, Nuevo Tipo de A m plificador de M icroondas, estándar de frecuencia y espectróm etro». En ese tiem po, un haz de láser de am oniaco estaba listo y tam bién estaba lista la petición de patente de Townes, el co- m unicado de prensa de la invención en la U niversidad de C olum bia sobre el «máser» o «reloj atóm ico») y el inform e de Townes para el C uerpo de Señales. En el p rim er

m áser práctico, constru ido de acuerdo con las ideas de Townes de 1951, las m oléculas de am oniaco eran enviadas a través de u n sistem a de filtro eléctrico (un «enfocador»), en el cual las m olécula^^n el estado excitado eran separadas de aquellas en el estado más bajo. Elîaz de moléculas excitadas entonces entraba en una cavidad donde se creaba u n cam po m agnético oscilante em itido com o m icroondas salientes. Tuvieron que facerse los experim entos con su p rim er m áser para que Townes y sus colaboradores se dieran cuenta de una de sus propiedades más valiosas, básicam ente que estaba bastante libre de ruido. Además, la am plificación obtenida al in troducir la radiación en la ca- dad no؛ ·' estaba orig inalm ente considerada com o u n a parte esencial del concepto del maser. Al princip io Townes no le prestó atención a lo que quizá es el hecho m ás carac- tenstico de los máseres y láseres, la coherencia de las ondas. Por supuesto, no era la prí- m era vez que un científico realizaba u n a brillante innovación sin u n claro entendí- c ie n to de lo que había hecho.

El m áser de am oniaco de Townes, basado en la inversión de población entre dos es- lia o s de energía, fue rápidam ente continuado po r nuevos tipos de m áser y de m éto- >ios de obtención de inversión de población. En 1955, Níkolai B asovyA lexander Pro- ،r.orov, en el Institu to Físico Lebc'dcv en M oscú, sugirieron u n proyecto de bom beo ء_ث perm itiera la inversión continua de población, y por tanto , una am plificación con- an u a . La idea hizo uso de transm isiones cuánticas en átom os con tres niveles de ener- نتق . de los cuales el nivel in term edio era uietaestabie (po r ejem plo, tenía u n tiem po de ئ largo). El año siguiente, u n a idea sim ilar file analizada con m ás detalle y aplicada

ء ؛ o ، máseres de estado sólido p o r Nicolaas bloem bergcn, u n físico ’ه ' que trabajaba en la Universidad de Eíarvard. El trabajo de tuvo una■ d u e n d a a largo plazo en la físíca de m áser y de láser, y en electrónica cuántica en ge- لص - ^ r q u e aportó a esas áreas los conceptos de la relajación m agnética y de la reso- نصء m agnética nuclear (N M R p o r sus siglas en inglés). Los prim eros máseres para- g e n é t i c o s eficientes basados en la teoría de los tres niveles de Bloembergen


aparecieron en 1958. La exitosa fam ilia de lo,؟ máseres de rubí fue iniciada p o r Chihi- ro Kikuchi y sus colegas en la Universidad de M ichigan. ? ٥٢ su baja tem peratu ra de ruido, los máseres de estado sólido encontraron un uso tem prano en los radiotelesco- píos y en antenas de m icroondas. Por ejemplo, PenziasyW ilson hicieron uso de un am - plificador m áser de ٢٧١١؛ en su célebre descubrim iento de 1965 de la radiación cósmica de fondo.

Después de 1955, la idea de aplicar el principio de m áser a longitudes de ondas más pequeñas del rango visible o de los infrarrojos era natural. O rig inariam ente se pensó que esto sería m uy difícil, y que se necesitaría una en trada de energía m uy grande y quizá prohibitiva. Fue de nuevo po r instigación de los m ilitares -e s ta vez a través de la O ficina de Investigación Científica de la Fuerza A érea- p o r lo que Townes se encargó del problem a. En 1957 lo investigó de m anera teórica y alcanzó la conclusión de que probablem ente no habría n ingún problem a serio en aplicar técnicas de m áser a la re- gión visible. A unó fuerzas con A rthur Schawlow de 11 Laboratories y, en 1958, los dos ة؛،físicos publicaron un análisis detallado en el P hysical R ev iew sobre «Máseres infrarrojos y ópticos» concluyendo que la posibilidad es favorable para los máseres que pro- ducen osciladores en las regiones infrarro ja y óptica». Al m ism o tiem po, AT&T envió una petición de patente. El artículo de ب fue la base teórica para el lá-ser, pero en ظ época era sólo una teoría.

D urante los dos años siguientes, varios tísicos e ingenieros, tanto en ‘ com o en laboratorios de investigación corporativos, com petían para desarrollar un láser operativo. Uno de ellos fue G ordon Gould en ظ com pañía privada TRG (Technical Re- search Group), quien en otoño de 1957 había esquematizado de m anera independiente cóm o podría ser construido un láser. También fue Gould quien utilizó por prim era vez el térm ino «ذ ·» com o acrónim o en inglés de ligh t am plification by stim u la ted em ission ٠/ radiation , o amplificación de luz a través de la eIrrisión estimulada de radiación. De una m anera típica para la época, poco después del impacto del spu tn ik , la mayor parte de la investigación estaba pródigam ente subvencionada por las agencias militares. Una de estas agencias era la ARPA, advanced research projects agency o Agencia de Proyectos de Investí- gación Avanzada, que estaba interesada en prom ocionareftrabajo sobre el láser como una posible arma. En 1959, por casi un millón de dólares, ARPA involucró a TRG en un program a secreto con el propósito de desarrollar u n láser funcional. Usando distintos nréto- dos y aproximaciones, los científicos en Bell Laboratories y en el Centro Watson de ظ IBM tam bién trabajaron duro para construir un láser práctico. Y así lo hicieron Theodore Mai- m an, un físico de los laboratorios de investigación flughes, que se centró en los medios de láser sólido más que en los láseres gaseosos investigados por otros grupos. M aim an traba- jó con los iones de crom o en vez de con una pequeña parte de cristal de rubí y encontró ظ form a de obtener inversión de población excitando los iones ópticam ente m ediante una lám para de destellos de xenón. Los experimentos confirm aron sus cálculos y, el 16 de mayo de 1960, obtuvo su prim era emisión de láser. Poco después, M aim an tenía un láser de rubí listo y rápidam ente entregó u n artículo para el Physical R ev iew sobre ظ «Acción del máser óptico en el rubí». Sin embargo, el editor rechazó el artículo, posiblemente por

Física de ingeniería مل electrónica cuántica 379

que éste no casaba con la política de la publicación de adm itir únicam ente artículos que «contengan contribuciones significativas a la física de naturaleza básica». Por esta razón, el prim er anuncio del láser - u n artículo breve titulado «Radiación óptica estimulada en el rub í» - apareció en la publicación británica N ature. En 1961, M aiman y sus ’ ’ entregaron una descripción más detallada de sus experim entos al Physical R eview . Esta vez, el artículo fue aceptado. Inicialmente, había cierta incertidum bre sobre si M aim an realmente había obtenido u n efecto láser con el rubí y tuvo que pasar algún tiem po antes de que fuera reconocido com o inventor del láser.

En 1960-1961, varios g rupos de científicos desarro llaron o tro s tipos de láser. A finales de 1960, Ali Javan y su g rupo en Bell L aboratories consiguieron con éxito una descarga de láser gaseoso que operaba con átom os de neón excitado p o r colisiones con átom os de helio. Esto fue u n a innovación im p o rtan te , po rque fue el p rim er lá- ser que funcionaba con con tinu idad . El p rim er láser he lio -neón operaba en la longi- tu d de onda de in frarro jos de 1,15 - 10“6 m . © tro resultado im p o rtan te en la h ísto- ria tem p ran a del lá.sgr fue la construcción en 1962 de u n láser que usaba cristal de arsen iuro de galio, el p rim er ejem plo de la fam ilia de crecim iento ráp ido de láseres sem iconductores. H ú b o l e esperar varios años hasta que la investigación sobre el láser se convirtiera en u n cam po p rim ord ia l en la física pero, a m ediados de los años sesenta, el nuevo campo_hí،DÍa en trado en u n nuevo estadio de desarrollo rápido. U na b ib liografía recopilada en 1964 recogía unas 600 referencias a láseres, incluyendo estudios y textos que no eran de investigación. Dos años después, la bibliografía puesta al día conten ía 3.390 referencias, con u n índice de 3.335 autores. Casi todos los artículos tem pranos sobre investigación del láser se pub licaron en el P h ysica l R e-

v ie w o en A p p lie d P hysics L etters. M ientras que el cam po florecía, hu b o u n incre- m entó en la aparic ión de publicaciones en más revistas especializadas, com o o p t ic s

C o m m u n ica tio n s , A p p lie d o p t i c s y L áser Focus.

El láser fue bienvenido y estudiado tan to po r físicos académ icos com o industriales. A lrededor del 70 por 100 de los artículos estadounidenses de láser listados en el P hy-

sics A b stra c t a principios de los sesenta era enviado p o r laboratorios industriales. No sorprende que una gran parte de investigación sobre láser en los Estados U nidos, ya firera en las universidades o en la industria , estuviera subvencionada por la institución militar. Se ha estim ado que los gastos del D epartam ento de Defensa en investigación sobre láser en 1963 fueron de unos 20 m illones de dólares, y que hasta el 80 p o r 100 de los artículos de investigación sobre el láser recibían al m enos apoyo económ ico parcial del D epartam ento de Defensa. El láser era de gran im portancia, no sólo com o instru- m entó para la ciencia y por sus m últiples aplicaciones en las tecnologías m ilitar y civil, sino tam bién porque fue un factor crucial en el renacer de la óptica que se dio en los años sesenta. La óptica estuvo estancada duran te dos décadas y, alrededor de 1950, se consideraba com o una especie de disciplina gris con un gran pasado, pero sin visos de tener un gran fu turo (véase el gráfico 24.1). Junto con la holografía, los usos ópticos de los sem iconductores y el auge de la óptica no lineal, el láser creó un desarrollo nuevo y vigoroso para la ciencia óptica.


A diferencia del máser, el láser tam bién se convirtió en u n éxito arro llador en el m ercado com ercial. A este respecto, su trayectoria fue sim ilar a la del transistor. En 1993 se estim aba que el m ercado del láser sum aba un valor de unos 20.000 m illones de dólares, y que m ás de tres cuartos de este d inero era civil. Las aplicaciones com erciales del láser son generales y m uy b ien conocidas, incluyendo no sólo cirugías y m edicina, im presión y com unicaciones ópticas, sino tam bién discos com pactos, soldaduras de m etales, lectores de tarjetas electrónicas y reproductores de audio y vídeo; adem ás, los láseres desem peñan un papel im p o rtan te en diversos in strum en tos científicos. Los m ás producidos y versátiles de entre la gran cantidad de tipos de láser han sido los de sem iconductores: en 1988, se p rodu jeron unos 200 m illones de láseres sólo de este tipo.

El desarrollo de los máseres y láseres se llevó a cabo principalm ente en los Estados U nidos, pero hubo tam bién contribuciones im portan tes de los físicos rusos y, después de 1960, de los físicos japoneses y europeos. En el Institu to Lebedev en M oscú, Basov y Prokhorov se percataron de la posibilidad de un m áser de am oníaco independien tem ente de Townes, sugirieron el m étodo de tres niveles, y en 1958 propusieron el uso de los sem iconductores para los láseres. Townes, Basov y Prokhorov recibieron el prem io Nobel en 1964 p o r sus contribuciones. Dos años después, Kastler fue honrado con el prem io y en 1981 dos de los o tros pioneros de las técnicas láser, B loem bergen y Schaw- low fueron igualm ente galardonados. M aim an, el inventor del láser, no fue reconocido com o m erecedor del prem io.

Las fibras ópticas \

El p rim er sistem a de com unicación extensivo,\؛lje lég rafo óptico de Claude Chap- pe de 1790, estaba basado en señales de luz, pero las innovaciones consiguientes en las telecom unicaciones -d esd e la telegrafía eléctrica hasta h r a d io - hicieron uso de partes m uy diferentes del espectro electrom agnético y transm itieron las señales a través de cables m etálicos o bien a través de la atm ósfera. Desde alrededor de 1860, la telegrafía ó p tica prácticam ente desapareció. A unque la idea de usar la luz enviada a través de un tubo de v idrio com o m edio de alm acenam iento y transm isión de inform ación fuera planteada en los años treinta, hubo que esperar a después de la guerra para que com enzaran los experim entos con fibra óptica. U no de los prim eros estudios fue realizado a princip ios de los años cincuenta po r un g rupo de científicos holandeses asociados con la Universidad Tecnológica de Delft. Su investigación fúe subvencionada p o r el Consejo de Investigación de la Defensa de los Países Bajos, e in ten taba proveer a los nuevos subm arinos del país de periscopios m ejorados -n o sólo era en los Estados U nidos donde el dinero m ilitar apoyaba la investigación en física-. Para asegurar u n reflejo absoluto, los científicos de Delft desarrollaron v idrio y fibras de plástico cubiertos p o r una capa de un índice refractivo m ás bajo. Las fibras, en todo caso, no encon traron uso ni m ilitar ni comercial, y la com pañía Philips declinó com prar y desarrollar la tecnología.


El prim er uso práctico de las fibras revestidas ٨٥ fue en las comunicaciones sino en la medicina, concretamente en el endoscopio flexible para gastroscopia inventado en 1957. En aquella época, se vio que para que la fibra óptica funcionara a través de grandes distancias, deberían ser superados dos problemas críticos: en prim er lugar, se necesitaba una fuente de luz coherente y fuertemente enfocada; en segundo lugar, la pér- dida de señal era prohibitivamente grande en las fibras de vidrio existentes como para hacer de ellas guías de ondas prácticas.

Con la invención del láser, parecía que el prim er problema iba por el buen camino para ser resuelto. Mientras que los láseres gaseosos no eran prácticos, el potencial para los láseres semiconductores fue reconocida en una fecha temprana, en particular porque este tipo de láser era compacto y fácil de m odular a través de una corriente de entrada. Las primeras fuentes de láser utilizadas en experimentos de fibra óptica fireron los láseres de arseniuro de galio y, ءل ء0ه receptores varios tipos de fotod؛odo$ de estado sólido encontraron su aplicación. Lo؛s láseres de diodo semiconductor obtenidos por prim era vez en los Laboratorios B؟ll en 197© se com probaron como aun más úti- les que como fuentes de comunicación،؟؛ ópticas. De manera alternativa, otro invento de AT&T pudo utilizarse, el diodoVemisor de luz o LED. Aunque la tecnología de transistores no desempeñaba un papel directo en el desarrollo de sistemas de fibra ء ة،ة تإ آ , sí que lo desempeñaba de forma indirecta, como una firente de láser semiconductores y fotodiodos.

El láser encendió mucho interés en las comunicaciones ópticas, un campo al que hasta entonces se le había dado poca prioridad por parte de ingenieros y científicos industriales. Con el problema de la fuente en principio solucionado, el interés se dirigió hacia el medio de transmisión. La cuestión crucial era si era posible diseñar fibras ñ- ñas, hechas de vidrio o de cualquier otro material transparente, con una atenuación óptica ampliamente menor que los mejores tipos de vidrio conocidos en la época. La industria del vidrio óptico no estaba preparada para el tipo de trabajo científico y de desarrollo necesario para poder producir el vidrio de calidad extremadamente fino re- querido para la transm isión óptica. La cuestión global fue investigada ' mente por dos físicos que trabajaban para Standard Telecommunications Laboratories en Londres, Charles Kao y Ceorge Hockham. En un artículo publicado en el Procee-

dings o f th e In s titu tio n o fE lec tr ica l Engineers, los dos físicos calcularon y debatieron va- ríos modos de pérdida en una fibra guía de ondas de sección transversal circular. Este trabajo, de gran influencia, estaba basado en la teoría electromagnética clásica y con- sistía esencialmente en resolver las ecuaciones de Maxwell ante las condiciones de ؛'ron- tera dadas por la estructura de una fibra de vidrio cilindrica. Fue un trabajo que po- dría haber sido entendido y apreciado por Lord Rayleigh y otros especialistas en la teoría de ondas electromagnéticas alrededor del cambio de siglo -d e hecho, el prim er análisis teórico completo de propagación electromagnética en cilindros dieléctricos fue realizado ya en 1910 por Peter Debye y su estudiante D. Hondros.

Kao y Hockham predijeron que el valor crítico para la pérdida de señal en una fibra óptica era de 20 decibelios por kil(')iiretro (dB/km) o menos, correspondientes a


aproxim adam ente el 1 po r 100 de transm isión a través de un kilóm etro de fibra. Las fibras de v idrio a las que se podía acceder exhibían una pérd ida de aproxim adam ente1.000 dB/km ; p o r tanto , el cálculo de K ao-H ockham m ostraba que eran necesarias m ejoras de dos órdenes de m agn itud (téngase en cuenta que el dB es una un idad logarítm ica). Esto fue una m ala noticia, pero Kao y H ockham concluyeron que era «difícil, pero no imposible» desarrollar tales fibras de bajas pérdidas. «Los estudios teóricos y experim entales indican que una fibra de m aterial vidrioso constru ido en u n a estructu ra revestida con [...] un d iám etro total de unos 100 Xo [100 veces la longitud de onda] representa una posible guía de ondas práctica con un potencial im portan te com o nuevo m edio de com unicación», escribieron. «La com prensión de u n a guía de ondas de fibra de éxito depende, en el presente, de la disponibilidad dé m aterial dieléctrico adecuado de baja pérdida» (Bray 1995, p. 271). V

El trabajo de Kao y H ockham fue un reto para la in d u stria lie l v idrio e im pulsó a laboratorios privados y gubernam entales a lo ancho del m u n d o a aceptar el reto. Bell Laboratories, laboratorios de telecom unicaciones nacionales, universidades técnicas e industrias privadas se com prom etieron seriam ente en el in ten to de encon trar m ateriales adecuados para la fibra óptica. C orn ing Glass W orks en los Estados U nidos, la com pañía de v idrio m ayor y m ás o rien tada hacia la investigación en todo el m undo, estableció un grupo de investigación para encon trar una solución. El grupo estaba liderado po r Robert M aurer, un físico con un doctorado en el M IT que se había un ido a C orning en 1952 com o físico aplicado. El equipo de C orning se centro en el silicio fusionado, al cual añadía óxidos para increm entar el índice de refracción. N o sólo las nuevas fibras de C orning ten ían propiedades electrom agnéticas excelentes, sino que tam bién eran m ecánicam ente fuertes y quím icam ente estables. De un m odo in teresante, la innovación estaba inspirada p o r el trabajo de la industria del transistor con silicio puro y dopado. Las prim eras fibras de silicio dopadas estaban listas en 1970 después de cuatro años de trabajo a m enudo frustrante. Con u n factor de atenuación de 16 dB/km , eran m uy prom etedoras e indicaban que el desarrollo de las fibras de vidrio ópticas era sim plem ente cuestión de tiem po. D uran te los años siguientes, C orning desarrolló m étodos de fabricación para el nuevo tipo de fibra de vidrio y p rodu jo versiones aun m ás eficientes. En 1975, M aurer y su equipo alcanzaron los 4 dB/km y en 1980 la pérdida se redujo a 0,3 dB/km . Al m ism o tiem po, investigadores japoneses in form aron de u n récord de baja atenuación de 0,2 dB/km , m uy cerca del lím ite teórico para las fibras de silicio dopadas. A finales de los años setenta, las com unicaciones de fibra óptica habían pasado de ser u n invento a ser una innovación, y los prim eros cables de fibra comerciales se hicieron operativos. Entre los usos m ás im portan tes de la nueva tecnología estaban los cables subm arinos, siendo el p rim ero el enlace del canal de 1986 entre Inglaterra y Bélgica. Dos años antes, el p rim er cable de fibra óptica transatlán tico, denom inado TAT 8, fue abierto para dar servicio entre Inglaterra y N orteam érica. El innovador proyecto, una colaboración entre AT8cT, British Telecom y France Telecom , tenía u n a capacidad correspondiente a 40.000 conversaciones telefónicas, o casi el doble de la capacidad de cable existente a través del Atlántico. La fibra óptica conti


nuó con su rápido desarrollo a lo largo de los años ochenta y noventa. Una de las in novaciones m ás im portan tes fue la invención en 1987 de una form a de am plificar las señales en una fibra óptica a través de la inserción, directam ente a la línea, de una fibra dopada con iones del elem ento erbio, del grupo de tierras raras. Junto con el desarrollo de las fibras de láser, los am plificadores dopados con erbio iniciaron una nueva fase en las com unicaciones de fibra óptica.

CAPÍTULO 26

La ciencia atacada, ¿la física en crisis?

Signos de crisis

Desde alrededor de 1965, la física de los Estados Unidos y, en cierto m odo, tam bién la física europea, parecía agitarse de nuevo en aguas turbulentas. Los años desde el Proyecto M anhattan habían sido un periodo sin precedentes e ininterrum pido de crecimiento, optimismo, apoyo político y prestigio social. A finales de los sesenta, la guerra en Vietnam resultó ser un tema m uy controvertido en los Estados Unidos y en los círculos académicos los sentimientos antimilitaristas se hicieron más comunes y aceptados. Ya que una parte tan grande de la com unidad física estadounidense trabajaba en proyectos militares o estaba siendo subvencionada por dinero militar, los físicos se vieron identificados fácilmente con el complejo militar-industrial que en ese tiem po estaba en el punto de mira. Alrededor de la misma época, la energía nuclear empezó a perder algo de su inocencia y fascinación. Por prim era vez, la gente empezó a preguntarse si las centrales de energía nuclear eran realm ente un camino sin problemas para conseguir energía barata que hasta entonces se daba por supuesta. ¿Podía estar uno confiado de que eran seguros los reactores? ¿Qué decir de los residuos radiactivos? ¿Y cóm o se podía prevenir que dictadores usaran la tecnología de la energía nuclear para producir bom bas atómicas? La incom odidad tem prana con la energía nuclear fue fácilmente extrapolada con una incom odidad con los científicos asociados como más cercanos con la tecnología: los físicos. Una consecuencia más directa fue la decisión del presidente Ford de 1974 de abolir la Comisión de Energía Atómica y reponerla en 1977 con un nuevo Departam ento de Energía (en inglés D epartm ent o f Energy, DOE). Era más que un símbolo im portante el que la palabra «atómica» desapareciera. La Guerra de Vietnam y el creciente interés en problemas medioambientales eran sólo dos de los im portantes factores en la compleja red de reorientaciones políticas, culturales y emocionales que agitaron al m undo occidental en ese periodo.

En la m ism a época, m ientras que los valores culturales tradicionales se vieron atacados, la relación entre la adm inistración pública y la ciencia se transform ó. Los poli-

La ciencia atacada, ¿la física en crisis? 385

ticos y adm inistradores em pezaron a cuestionarse la m áxim a de que lo que era bueno para la ciencia era bueno para la sociedad. Una actitud m ás desilusionada con respec- to a la ciencia se hizo n o ta r en cam bios en el sistem a de subvenciones estadounidense, que causaron preocupación entre m uchos físicos. La enm ienda de M ansfield de 1969 prohib ía al D epartam ento de Defensa que gastara dinero en investigaciones que no estuvieran d irectam ente relacionadas con propósitos militares. M uchos físicos estaban a favor de la enm ienda, pero tenían razones para tem er sus consecuencias. A unque la Fundación Nacional de la Ciencia (N ational Science Foundation , NSF) recibió una sum a extra de 85 m illones de dólares, no fue capaz de com pensar del todo la pérdida de apoyo de las instituciones m ilitares. Además de esto, una partida increm entada del dinero de la NSF se asignó a proyectos de investigación socialm ente útiles, algunos de ellos en las ciencias sociales, m ás que a la ciencia básica. En ل97ه , W illiam Koch, direc- to r del Am erican Institute ofFhysic$, com entó que la física «de estar reconocida com o una ciencia desesperadam ente necesaria para la supervivencia nacional y para su pres- fígio» se ha colocado en «un contexto social más convencional, con nuevas prioridades» (Schweber 1994b, p. 143). D urante dos décadas había sido com únm ente aceptado que la inversión en ciencia básica se com pensaría en su m ayoría en el sector industrial y esto aseguraría el crecim iento económ ico. A hora algunos econom istas punteros negaban que el apoyo económ ico público a la ciencia fuera un factor de ؛٨ -

novación. Según Fíarry Johnson, profesor universitario de Econom ía, no existía una correlación clara entre la cantidad de dinero que un país se gastaba en la ciencia con su crecim iento económ ico. La ciencia básica, argum entaba en 1968, era «pura y llana- m ente u n bien de lujo, accesible sólo para las m uy escasas personas en la sociedad que han recibido la educación para p o d erap rec ia r sus m isterios esotéricos y que han sido capaces de persuadir a un núm ero u؛؛ íid en te de sus conciudadanos para que sustenten ؛ US iniciativas» (Kragh 1980b, p. 39). Era t e l a característica que encajaba bien con gran parte de la com unidad física y u n a r g u m e n tó l e , si se aceptaba, encam inaría la física básica hacia una caída en picado del sustentó gubernam ental de la investigación. El nuevo debate era que los físicos sentían una presión increm entada para justificar sus requisitos m onetarios. Ya no bastaba con apelar a criterios puram ente in ternos de curiosidad científica o postular, com o hizo Schwinger en 1965, que «el nivel científico de ^ a lq u ie r periodo está personificado en la actitud actual con relación a las propiedades fundam entales de la m ateria. La visión del m undo de un físico define el estilo de la tecnología y la cu ltu ra de la sociedad y le da una dirección al progreso ftrturo» (Sch- weber 1997, p. 664).

En dólares constantes de 1983, las subvenciones federales para la investigación en física básica cayeron de 45ه.ل m illones de dólares a 690 m illones en 1976 - u n 34 por 100 m enos-. El apoyo posteriorm ente creció lentam ente, pero en 1983 todavía significaba m enos del 85 p o r 100 del nivel de 1967. D urante el m ism o período, los gastos del D epartam ento de Defensa y la NASA en investigación básica cayeron de m anera m u- cho m ás drástica que lo que se increm entaron los gastos de la NSF (véase tabla 26.1). M ientras que caía el apoyo, tam bién lo hacía la p roducción de nuevos físicos. A p rin -


TABLA 26.1Obligaciones de EEUU para investigación básica en física,

en m illones de dólares de 1983

Fuente 1967 1976 1984

NSF 94,8 126,4 151,6AEC/DOE 519,8 379,5 563,9NASA 216,8 107,0 101,6Defensa 179,6 60,4 126,1

Total federal 1.045,2 690,2 960,4

Nota: Basado en datos de Brinkman et al., 1986.

cipios de los ochenta, más de 1.600 físicos obtuyíeron su doctorado en las universidades estadounidenses. Diez años después, el núm ero decreció a poco m ás de 900 (gráfico 26.1). El núm ero de doctores en el subcam po mas am plio, la física del estado sólido, decreció de 442 en 1971 a 202 en 1980; en la físjca de partículas elem entales, el segundo subcam po por volum en, la caída fue de 278 a 117. Sólo la óptica experim entó un crecim iento de 25 a 43, sin duda en parte com o resultado del «efecto láser» y la im portancia increm entada de la óptica en las industrias de alta tecnología. El m ercado laboral en general era desfavorable, y un porcentaje apreciable de los nuevos doctores en física estaban desem pleados o ten ían que aceptar trabajos no relacionados con su form ación. Ya en los p rim eros años trein ta, la crisis ocupacional fue lim itada y tuvo una duración relativam ente corta. En 1980, los «buenos viejos tiem pos» habían vuelto en gran parte, o así parecía. Sin em bargo, el núm ero de graduados en física continuó estando en u n nivel bajo y, adem ás de esto, u n porcentaje im portan te de graduados eran ciudadanos extranjeros, europeos o asiáticos. D ebería hacerse no tar que la física estadounidense experim entó una crisis sólo en un sentido relativo, en concreto con relación al extrem o apoyo y prestigio que había d isfrutado duran te las dos décadas p revias. Además, la crisis se relacionaba con factores externos y no afectaba de m anera seria el progreso del conocim iento científico. Sin duda, los años duran te los cuales la crisis fue más debatida, especialm ente entre la com unidad de física de altas energías, eran justo los años en que la física de altas energías consiguió tantos avances notables que la gente em pezó a hablar de la «nueva física».

La crisis en la física estadounidense en los años setenta no se m anifestaba sólo en térm inos de apoyo económ ico y reclutam iento de nuevos físicos. Estos problem as ta m bién ten ían conexión con u n a m ás general crisis «moral», y en cierta m edida eran resultado de esta crisis, la cual am enazaba con ser aun m ás seria que la crisis en recursos m ateriales. M ientras que los físicos estaban acostum brados a ser los héroes de la n a ción, y la física, la reina de las ciencias, desde finales de los sesenta la confianza púb lica en las ciencias cayó rápidam ente. U na encuesta de 1971 reveló que sólo el 37 p o r 100 del público valoraba a los científicos de m odo «muy favorable». Y no fúe sólo el públi-


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Año académico

Gráfico 26.1. Grados de física en EEULL 1961-1983. Fuente: Reproducido con permiso de Physics Through the 1990s: Elementary-Particle Phyjics. (©) 1985 por National Academy of Sciences. Cortesía de National Academy Press, Washington, D.C.

co quien em pezó a perder co ifianz^ en lo que ahora era cada vez más conocido com o «curia científica» (scientific priesthood). The New Priesthood fue el títu lo de un libro de 1965 escrito p o r Ralph Lapp, un físico nuclear interesado en las consecuencias sociales y éticas de la física. Se oyeron voces disidentes, a m enudo fuertes, de entre los propios físicos, m uchos de los cuales em pezaron a cuestionarse el orden existente de las cosas. U no de los asuntos principales fue la participación de los físicos, com o grupo, en los asuntos sociales. ¿Eran las cuestiones sociales un cam po legítimo, si no de la física, de los físicos? Más específicam ente, ¿cómo se posicióno la com unidad física estadounidense con respecto a la investigación m ilitar, la carrera arm am entística y la guerra de Vietnam? Tales preguntas no eran nuevas, pero alrededor de 1970 eran lanzadas con más frecuencia y con m ás determ inación.

Charles Schwartz, un físico de Berkeley, sugirió en 1968 que la A m erican Physical Society (APS) debería involucrarse en los asuntos públicos, y que la inqu ie tud p o r la física únicam ente com o física estaba equivocada. Según la visión de Schwartz, la APS debería hacerse o ír en el tem a de la guerra de V ietnam en particular, «no porque ten


gam os una com petencia única en esta m ateria, sino porque com partim os una m ism a preocupación y responsabilidad con el resto de segm entos de la estructu ra social estadounidense» (PT enero 1968, p. 9). La propuesta provocó m ucho debate en tre los m iem bros de la APS, m uchos de los cuales apoyaban a Schwartz y dem andaban que la APS tom ara u n a posición. O tros, p o r supuesto, estaban horrorizados de que la APS pudiese convertirse en un instrum ento político. C om o lo expresó un físico em pleado en u n laboratorio m ilitar, «no querem os que la APS se degrade cayendo en la m ism a categoría que los “hippies”, “extrem istas” y otros personajes bajo influencias extranjeras» (P T febrero 1968, p. 15). Q ue la propuesta de Schwartz se rechazara p o r una sólida m ayoría no im plicaba que los físicos estadounidenses fueran socialm ente indiferentes, estuvieran en general a favor de las pólítifcas gubernam entales en V ietnam , o estuvieran felices por trabajar para el Pentágono. H abía una preocupación real y extendida de cóm o usar y organizar la ciencia^de u n m odo m ás hum ano y socialm ente justo. Por ejem plo, en 1969, los físicos fundaron Scientists for Social and Political Ac- tion (Científicos p o r la Acción Social y P o lítk a ), una organización cuyo objetivo era buscar «un redireccionam iento radical de la tecnología y la ciencia m odernas». El secretario de la organización era M artin Perl, un físico de 42 años de Stanford que más tarde ganaría u n prem io N obel p o r su trabajo en física de neutrinos. El porcentaje de físicos que protestó contra la participación en V ietnam era m ayor que el de cualquier o tra disciplina académ ica, científicos sociales y académ icos hum anistas incluidos. Las encuestas indicaban que dos tercios de los físicos académ icos más destacados sim patizaban con el activism o estudiantil radical y que cuatro de cada cinco no aprobaban la investigación clasificada en los laboratorios universitarios. La oposición no estuvo lim itada a la guerra de V ietnam , sino que incluyó la carrera arm am entística y, en concreto, el recientem ente propuesto sistema de misil antibalístico (ABM p o r las siglas en inglés de anti ballistic missile). En la reunión de la APS de la prim avera de 1969, m ás de m il físicos firm aron una petición dirigida al presidente Nixon urgiéndole a que parara el sistem a ABM y deplorando «el com ienzo de una particularm ente peligrosa, pero finalm ente fútil, escalada de arm as nucleares cuando nuestra expansiva crisis in terna exige una reasignación de los recursos nacionales» (Easlea 1973, p. 311).

La caída en las subvenciones para la física en los años setenta y la nueva conciencia social de m uchos físicos estaba enm arcada en los Estados U nidos, pero no estaba lim itada a este país. En casi todos los países europeos, los presupuestos gubernam entales para la ciencia en general se estabilizaron y, den tro de los presupuestos, la ciencia física fue u n a víctim a bastante clara, aunque no tan to com o en los Estados Unidos. H ubo en esta década un salto de subvenciones y de interés público general y universal desde la física hacia la biología y las ciencias sociales. D ifícilm ente podría hablarse de una «crisis» en la física europea, la cual, a pesar de los recortes en dinero, realm ente no te nía una entidad com o «física europea», sino que era física en los d istintos países eu ro peos. La fragm entación entre m uchas naciones fue quizá el m ayor problem a en lo que, a pesar de todo, llam arem os física europea. La difícil situación económ ica alrededor de 1970 hizo que G ran Bretaña y Francia redujeran sus gastos en investigación y desarro-


lio (I+D ) y en G ran Bretaña varios grandes centros de física fueran clausurados. Sólo en A lem ania O ccidental la física experim entó un m odesto increm ento en apoyo, y este país tam bién fue el único que apoyó tan to al CERN com o a su laboratorio de física de altas energías nacional p ropio (el centro DESY).

Un paso im portan te hacia un sistema de física europeo más unificado se dio en 1968 con la fúndación de la European Physical Society (EPS) o Sociedad Física Europea, con el italiano G ilberto B ernardini com o su p rim er presidente. La idea de fundar tal organización se gestó en una reun ión de 1965 de la Sociedad Física Italiana, donde los participantes consensuaron que la participación creciente de la física en los problemas sociales, políticos y éticos necesitaba de una m ayor un idad entre los físicos en Europa. La EPS era básicam ente una un ión u organización-paraguas de sociedades físicas nacionales existentes y de academ ias científicas. En 1972 incluía organizaciones de veinticuatro países, ocho de la Europa com unista y quince de la Europa no com unista, m ientras que com o país no europeo, Israel era tam bién m iem bro. Las organizaciones de la EPS representaban a unos 36.000 m iem bros, haciendo de la m ism a la m ayor o rganización profesional de físicos del m undo.

Tradicionalm ente, cada uno de los grandes países europeos tenía su propia publicación de física m ás o m enos internacional. Éstas tenían un gran pasado, pero en la era de la posguerra dom inada p o r Estados U nidos, era m uy poco seguro que éstas fueran a tener tam bién un gran futuro. La prim era revista que fue publicada p o r entero por la EPS, y en este sentido la prim era publicación de física realm ente europea, fue Eu- rophysics Letters, que em pezó en 1986. Incorporó las secciones de com unicaciones p ertenecientes originalm ente a la italiana Nuovo Cimento y al francés Journal de Physique. A unque la nueva publicación aceptaba escritos en inglés, francés, alem án y ruso, nada más em pezar todos los artículos estaban escritos en inglés. Se había reconocido d u rante largo tiem po que el inglés era la lengua internacional de la física y que las pub licaciones nacionales en o tras lenguas no d e s e m p e ñ a b a n ningún papel real en la investigación fronteriza de la física. En 1980, ú n físico destacado que no pud iera hablar y escribir en inglés era una rareza, casi u n a contradicción en sí m ism a. Después de 1986, otras publicaciones europeas de fí sica.seJ ú s i o n aro n , cerraron o fueron reorganizadas bajo el sistema de publicación de la EPS. La racionalización era indispensable y sim plem ente había dem asiadas, y dem asiado poco im portan tes, publicaciones de física en Europa. La culm inación llegó a principios de 1998, cuando dos de las publicaciones más prestigiosas e históricam ente im portan tes, la alem ana Zeitschrift fü r Physik y la francesa Journal de Physique se fusionaron, m etam orfoseándose en la nueva European Physical Journal. M odelada siguiendo el pa tró n de Physical Review, la nueva publicación apareció con cinco secciones diferentes. Por supuesto, apareció no sólo en papel, sino tam bién en form ato electrónico.

En 1983, la crisis - s i es que realm ente hubo a lguna- en la física de Estados Unidos ya había pasado y el apoyo federal em pezó a m ostrar un increm ento sustancial. El cam bio más drástico fue la cantidad de dinero asignado para investigación en defensa. Los presupuestos de Reagan de 1984 pedían un increm ento de 6.900 millones de dólares en


I+D federal, con prácticam ente todo el· increm ento relacionado con e؛ D epartam ento de Defensa. M ientras que la parte de defensa de la inversión federal en I+D fue del 48 por 100 en 1980, en el presupuesto de 1984 era del 67 po r 100. Lo que pasó duran te los años ochenta fue una rem ilitarización de la ciencia, con un papel asignado a la física rem i- niscente de aquél de los años cincuenta -e s decir, com o una fuente de nueva tecnología de arm as y de otros conocim ientos m ilitarm ente útiles (véase gráfico 20. 1) - . La principal razón po r la cual se dio este renovado papel en la investigación m ilitar fue la Inicia- tiva Estratégica de Defensa de Reagan (Strategic Defense initiafíve, SDI) o «Star Wars» (Guerra de las Galaxias), u n program a de investigación tecnológicam ente am bicioso de26.000 millones de dólares dirigido a desarrollar un «escudo nuclear» basado en el láser avanzado y en arm as de haces de ^ r f í c u ^ ؛ ^gnadas para destru ir los misiles balisfí- eos soviéticos atacantes. La iniciativa causo acalorados debates en la com unidad física, en m uchos casos la repetición de muchos,¿lebates relacionados con el sistema ABM y la guerra de Vietnam . A unque m uchos laboratorios de física estuvieran ’ generosam ente com o resultado del proyecto SDI, la mayoría de los físicos estadounidenses no estaban entusiasm ados po r ello. El p rim er a!٦٠ desde que lo anunciara Rea- gan, la Unión o f C oncerned Scientists había conseguido el apoyo contra el SDI de unos mil científicos, incluyendo 54 prem ios Nobel. A rgum entaban que el SDI no sólo era tec- nológicam ente ingenio y económ icam ente ruinoso, sino que tam bién era «m oralm ente repugnante». C om o en debates anteriores sobre el papel de los físicos en proyectos militares, no existía ningún acuerdo entre ellos. U no de los prem ios Nobel que protestaba contra el SDI fue R obertW ilson, quien en 1% ة descubrió la radiación cósm ica de fondo. Su codescubridor y colaureado, A rno Penzias, declinó firm ar el m anifiesto de protesta, argum entando que era «más polém ica que ciencia».

£sta época de gran agitación política en el m undo de la física incluía una nueva actitu d crítica hacia ط m ism a investigación física, tan to en el ám bito cognitivo com o en relación a sus prioridades y organización. Los artículos sobre «la crisis de la física» se m ultiplicaron, tan to en los Estados Unidos com o en Europa. C om o ejem plo típico de la nueva crítica a tener en cuenta, el de un joven físico británico que en 1974 atacó el sistem a de gran ciencia por desem bocar en «elitismo, c o m ^ titiv id ad , subsidio, burocrati- zación, m entalidad de adm in istración de em presas y concentración del poder económ ico y de tom a de decisiones», y esto no era todo, ya que tam bién «asfixiaba la espontaneidad, independencia, originalidad, creatividad, e incluso la objetividad». En la física de altas energías, argum entaba que el sistema había llevado a «una sucesión de m odas pasajeras que se han hecho tan populares com o los hula-hops [...] los físicos más jóvenes se han dado cuenta de que juegan con ventaja si se apun tan a una de estas mo- das pasajeras tan p ron to com o sea posible, independientem ente de que sea o no fructi- fero y sin tener en cuenta si realm ente creen en ello» (¥aes 1974, p. 463). Algunos de estos tem as fueron destacados por M ichael Moravcsik, u n teórico estadounidense, en un artículo titulado, cóm o no, «La crisis de la física de partículas». M oravcsik creía que la física de partículas elementales estaba totalm ente equivocada y que parte de la culpa de- bería encontrarse en una mezcla de factores sociológicos y m etodológicos. El confor


m ism o reinaba, propugnaba Moravcsik, siendo el peor síntom a «el fadism , esto es, la concentración de esfuerzos alrededor de u n pequeño núm ero de tem as y enfoques de m oda, los cuales están más determ inados p o r las cualidades personales de algunos físicos influyentes que por los criterios usuales de m érito científico» (M oravcsik 1977, p. 92). Su crítica fue contestada p o r un representante del statu quo de la física de partícu las, el teórico británico John Polkinghorne. De m odo sintom ático, quizá, en los años ochenta M oravcsik derivó a estudios de ciencia del Tercer M undo y Polkinghorne eligió la teología com o vocación en lugar de la física. Tanto social com o cognitivam ente, la física de altas energías estaba en un estado fluctuante en los años setenta.

Las objeciones contra el sistem a científico declaradas por físicos estadounidenses estaban casi po r com pleto enfocadas hacia el m al uso de la física, la organización de la física y la carencia de responsabilidad social. Fue una oposición radical, pero sólo relativam ente: a pesar de toda la retórica, no se cuestionaban asunciones fundam entales, com o el valor de la ciencia o los m étodos aceptados de investigación científica. M ás allá de esto, era una crítica más m oral que ideológica, basada en u n análisis político explícito. El fuerte com prom iso de m uchos científicos europeos con el m arxism o no era un tem a que se encontrara en el debate estadounidense, donde la «marxología» estaba prácticam ente ausente. Los físicos europeos de izquierdas tendían a estar m ás directam ente inspirados p o r el m arxism o y en algunos casos dem andaban una transfo rm ación m ás radical de la ciencia. Por m encionar sólo u n ejem plo, el físico francés Jean- M arc Lévy-Leblond argum entaba que la ideología era inseparable de la ciencia y que parte de la ideología de la física m oderna era la jerarquización epistem ológica de la ciencia que adscribía una posición de privilegio a la física de partículas «fundam ental». Una opin ión sim ilar fue defendida p o r Philip A nderson y otros en los Estados U ni

dos, pero sin los trasfondos ideológicos.) O tra parte de la ideología de la ciencia fue la -tradicionalm ente elitista y m eritocráti،̂؛ concepción de la ciencia [...] [y] la ideología de expertos y com petitividad». ¿Cómo/és, se preguntaba Lévy-Leblond y sus alm as gemelas, que cuanto m ás se involucra una ciencia en la producción diaria y la vida cotidiana, m ás pierde su naturaleza «científica»? La ciencia, con tinuó en u n clásico argum ento m arxista, «se ha ido separando progresivam ente de sus orígenes y ha cesado de m ostrar sus frutos e inspiración a partir de la m asa de sabiduría popular»; com o ejem plo, m encionaba la localización de agua (com o ejem plo de conocim iento popu lar tra dicional) y sugirió que este fenóm eno debería ser investigado con la m ism a seriedad • com o un detalle concreto del corte transversal de la colisión p ro tó n -p ro tó n ante altas energías». Y, aun así, incluso el radical Lévy-Leblond dudaba si luchar p o r u n a física m arxista específica. A dm itió que la física de altas energías estaba realizada esencialm ente del m ism o m odo en los Estados U nidos y en la U nión Soviética, e incluso p ro bablem ente en la C hina m aoísta, y que «no es fácil cam biar radicalm ente u n p u n to de vista sobre el contenido in terno de n inguna ciencia» (Lévy-Leblond 1976, pp. 166- 169). O tros profetas de los años sesenta y setenta tuv ieron m enos dudas en sus pe ticiones de m odos de ciencia que diferían fundam entalm ente de la despreciada «ciencia capitalista» cuyo arquetipo era la física de altas energías.


Una revuelta contra la ciencia

La crítica contra la ciencia en u n nivel fundam ental, en ocasiones incluyendo el rechazo de la ciencia com o tal, no fue u n invento de los años sesenta. A través de su historia, la ciencia ha sido atacada continuam ente y gran parte de la crítica que se hizo tan visible en los años sesenta y setenta ten ía sus raíces en el siglo xix o incluso aun antes. De acuerdo con una corriente crítica, típ icam ente encontrada en los escritos del cris- talógrafo m arxista británico John D. Bernal en los años tre in ta y cuarenta, la ciencia está socialm ente organizada de m anera errónea y se usa para unos propósitos equivocados, p o r tan to debe ser cam biada. A unque Bernal y sus cam aradas en el m ovim iento de «científicos rojos» de los años tre in ta no rechazaban los valores de la ciencia en sí, sim plem ente in ten taban conseguir cam bios profundos en la práctica social de la ciencia. C am biando la sociedad -d esd e una estructu ra capitalista a una basada en el socialism o- la ciencia se curaría de su enferm edad. Pero había otras versiones más an tiguas de crítica de la ciencia que tom aron una postu ra más radical, cuya consecuencia fue la negación de la ciencia, m ás que una redefim ción de la m ism a. La trad ición ro m ántica o u tópica, y a m enudo antiintelectual, enfatizaba el conocim iento de la n a tu raleza aprehendido subjetiva e in tu itivam ente y se oponía a los cánones de objetividad característicos de la ciencia com ún. El vitalism<?, el antirracionalism o y versiones de la Lebensphilosophie que se rem ontaban a alrededor de 1800, si no antes, experim entaron un renacim iento en los años setenta.

Bebiendo de varias fuentes, algunas de ellas bastante incom patibles, em ergió a partir de finales de los sesenta una nueva y vigorosa form a de crítica científica, la cual, en su form a más extrema, pedía la abolición de la ciencia tal com o se conocía. Parte de la crítica estaba inspirada en las visiones de un grupo de sociólogos y filósofos principalm ente europeos, incluyendo a H erbert M arcuse en los Estados Unidos, Jürgen H aber- mas en Alemania y Louis A lthusser y André Gorz en Francia. En su influyente El hom bre unidimensional, un clásico sobre la revuelta estudiantil, el alem án-am ericano M arcuse argum entaba que la ciencia occidental estaba dirigida inherentem ente hacia la dom inación de la naturaleza, así com o de las personas. De acuerdo con M arcuse y otros gurús filosóficos de la época, la esencia de la ciencia era la explotación. La naturaleza en su estado original o «anárquico» había sido m utilada -v io la d a - po r la defensa de las abstracciones científicas del exterior; el conocim iento científico de la naturaleza por tan to se había convertido en idéntico a la dom inación y la explotación. Además, la sociedad tecnológica represiva se basaba en las ciencias físicas, y estas ciencias eran por tan to responsables de la represión y deshum anización que serían características de la sociedad m oderna. M arcuse reclam aba que «el carácter m atem ático de la ciencia m oderna determ inaba el rango y tam año de su creatividad, y deja a las cualidades no cuanti- ficables de humanitas fuera del dom inio de la ciencia exacta» (Schweber 1994b, p. 144). Q ue M arcuse y los otros gurús del periodo supieran poco sobre ciencia e incluso m enos sobre física es cierto, pero históricam ente irrelevante. Sus visiones fueron aceptadas por gran parte de las generaciones jóvenes, que rechazaban el proyecto científico y aceptaban la descripción de los físicos com o m áquinas desalm adas al servicio de los m anda


tarios militares e industriales. No tiene m érito destacar que eran m arcados, aunque a؛ m ism o tiem po no percibidos, los paralelism os entre la anticiencia y los m ovim ientos radical-científicos de los setenta y la actitud hacia la ciencia que floreció en Alemania a principios de los años veinte bajo el liderazgo espiritual de O s^'ald Spen^ler (véase ca- pítulo 10). De m odo similar, había paralelism os con la situación en la U nión Soviética, el Tercer Reich y el resto del m undo a ٨١٦؛؛ le,؟ de los años treinta. En 1942, el sociólogo Robert K. M erton escribió sobre «un asalto frontal contra la autonom ía de la ciencia» y advirtió contra lo que veía com o un antiintelectualism o am enazante. «La revuelta de la ciencia», escribió, «que [hasta recientemente] parecía tan im probable ya que im plicaba sólo al tím ido académ ico que ponderaría todas las contingencias, no im porta cuán re- m otas, ahora ha sido forzada a la atención tanto del científico com o del gran público» (M erto n l9 7 3 , p. 267).

?erteneciente a una tradición bastante diferente a la de los críticos sociales europeos, el análisis de Thom as Kuhn de 1962 de la evolución histórica de la ciencia inin- tencionadam ente resultó ser o tra fuente para el m alestar hacia la ciencia. C on u n ،loe- to rado en física bajo la dirección de John Slater, Kuhn no tenía n inguna intención de unirse a la tendencia anticiencia. En su best seller La estructura de las revoluciones cien- tíficas, Kuhn argum entaba contra la visión positivista de la ciencia, sugiriendo que no existe el progreso científico a lo largo de periodos de cam bio revolucionario, e insinuó que la ciencia se desarrolla en una m anera no racional. El m ensaje, le pareció a m uchos de sus jóvenes lectores, era que la física no era m ás científica que ط f ic o lo g ía , la historia del arte, o ظ crítica literaria. Tam poco debía la astronom ía m oderna ser m ás con- fiable que la astrología. D esarrollando algunos de los tem as de Kuhn, el filósofo austriaco-am ericano Paul Feyerabendfue m ás allá y atacó la ciencia y al m étodo científico com o nociones puram ente id e o ló ¿ ^ s que iban de la m ano de la religión, los m itos y ظ propaganda; sólo la ciencia, al contrario que la religión y los m itos, había llegado a ser el dogm a p redom inante de losJiem pos m odernos, ejecutando una d ictadura m ental pareja a ط de la Iglesia católica rom ana en la Edad M edia. Feyerabend argum entaba a favor de la abolición de la instrucción obligatoria de la ciencia en las escuelas y de cualquier tipo de apoyo gubernam ental de las actividades científicas. «¿Qué tiene de grandioso la ciencia?», se preguntaba. «¿Qué hace a la ciencia m oderna preferible a la ciencia de los aristotélicos o a la cosm ología de los Hopi?» (Feyerabend 1978, p. 73). Según Feyerabend, absolutam ente nada.

Los trabajos de Kuhn y Feyerabend conform aron el contexto de otros estudios his- tóricos, filosóficos y sociológicos de la ciencia, siendo la últim a m oda conocida com o el program a de sociología del conocim iento científico o constructivism o social. Los so- riólogos constructivistas de los años ochenta y noventa negaban que la cosm ovisión científica estuviera basada en la naturaleza y que, po r tanto , debiera dársele mayor p rio ridad que a cualquier o tra cosm ovisión. La ciencia, decían, es !}ásicamente una construcción social y cultural fabricada a través de negociaciones, decisiones políticas, trucos retóricos y poder social. Sabiendo que la verdad y la falsedad son siem pre reía- tivas a u n m arco local dado, las creencias de los científicos sobre la naturaleza no son


inherentem ente superiores a aquellas de las de ningún o tro grupo. En un ،ibro sobre la h istoria de la física de altas energías m oderna, el autor, u n físico joven convertido en sociólogo, concluyó, «El m undo de la H E ? [física de altas energías] es u n producto cultural [...] no hay n inguna obligación para cualquiera que quiera presentar una visión del m undo de tom ar en cuenta lo que tiene que decir la ciencia del siglo XX» (Pickering 1984a, p. 406). Tales visiones, populares en grandes secciones del m undo académico, no eran lo que la mayoría de los físicos gusta de escuchar. Los constructivistas sociales habían sido acusados de con tribu ir a una atm ósfera de «mayor superstición» y a un renacer del odio hacia la ciencia.

¿Qué tiene todo esto que ver con la física? De form a directa, m uy poco. Las visiones de Feyerabend y M arcuse no eran lo m ás debatido en los laboratorios de física, pero de m anera indirecta, la crítica de la ciencia y el m alestar general hacia la ciencia que re- sultó después de alrededor de 1970 ؛ue tam bién im portan te para la física. C om o ciencia du ra y «masculina» con una (m erecida) reputación p o r sus cercanas conexiones con las aplicaciones militares, la física se v io^ tacada m ás que la m ayoría de las dem ás ciencias. M uchos estudiantes brillantes decidj^ron que los estudios en ciencias sociales o quizá en ciencias biológicas y m edioam bientales eran m ás de su gusto. En general, la popu laridad de la física entre los estudiantes cayó estrepitosam ente.

H abía otras form as de disentir de la física establecida que subiéndose al popu lar ca- rro relativista o diciendo que la física es una expresión de los m odos de pensam iento m asculinos y capitalistas. Fritjof C apra, u n teórico de partículas estadounidense, creyó que había encontrado una conexión p rofunda entre la teoría cuántica m oderna y expresiones de m isticism o oriental, tales com o el budism o Zen. Su Tao d e ةمء'س ا،ء , publicado po r vez prim era en ا975ء se hizo inm ensam ente popu lar porque casó m uy bien con el espíritu de la década. Fue continuado enseguida p o r una corriente de o tros trabajos del m ism o dudoso género. El proyecto de Capra era de algún m odo el opuesto absoluto al de los críticos de la ciencia que acusaban a la física de ser u n a em presa desalm ada y m aterialista. Según C apra, las ideas de la física cuántica eran exactam ente las m ism as que aquellas alcanzadas m ucho antes p o r los m ísticos del este a través de la m editación y la in tuición. La idea com ún incluía que la física era básicam ente subjetiva, un reflejo de la m ente hum ana más que una descripción de una naturaleza independiente com puesta de partículas y cam pos. Además, C apra encontró en la teoría de m atriz s «democrática» el paralelism o más convincente con el m isticism o oriental. El que la teoría de m atriz s hubiera sido abandonada p o r la inm ensa m ayoría de los físi- eos era u n hecho que parecía no preocupar al autor, siendo el abandono de la teoría probablem ente desconocido para la m ayoría de sus lectores. El Tao de lafísica fue el representante de una tendencia conectada con ط con tracu ltu ra que no rechazaba a la fí- sica com o tal, sino que sugería in terpretaciones alternativas y extrapolaciones que para m uchos lectores eran m ucho m ás atractivas que las versiones fidedignas. La aiternati- va de David Bohm a la irte rp re tac ió n de Copenhague de la m ecánica cuántica tuvo sus com ienzos m uchos años antes de los setenta, pero fue sólo con el nuevo clim a cultural que desarrolló sus ideas en una dirección consonante con el m isticism o y la holística


que caracterizaron a] m ovim iento ««، '١٧ age». Las ¡deas de Bohm de un «orden im plicado» le convirtieron en u n personaje de culto en am plios círculos, pero no im pacta- ron de n ingún m odo en la física predom inante.

¿El final de la físi€a?

«¿Se vislum bra el final de la física teórica?» fue el títu lo del discurso inaugural de Stephen Hawking cuando en 1980 asum ió la prestigiosa C átedra Lucasiana de m ate- m áticas en la U niversidad de C am bridge. H awking consideró com o una posibilidad realista que la física teórica sin duda pudiera term inar en un figuro no dem asiado dis- tante, posiblem ente tan p ron to com o en el cam bio de siglo, ?ero ¿qué quiere decir que la física, la ciencia, llega a su final? Según Hawking, significaba «que podríam os tener una teoría com pleta, consistente y unificada de las interacciones físicas que podrían describir todas las observaciones posibles». ?٠٢ el reciente progreso realizado en física fírndam ental, sintió que «había algunas bases para el optim ism o cauteloso p o r el que podam os ver una teoría com pleta a lo largo de la vida de algunos presentes aquí» (Crease y M ann 1986, p. 410). M erecen destacarse dos puntos: el prim ero, que Haw- king entendió la expresión «final de la física teórica» com o el establecim iento de una teoría unificada y com pleta que abarcara, en principio, todas las teorías especiales. Se- gundo, que Hawking era optim ista con relación a que se encontrara dicha teoría, o sea, que pensaba que sería algo bueno. En los años ochenta y noventa, el tem a del fin de ط fí- sica se debatió am pliam ente y fue la base de una industria m enor de publicaciones. Le- ¡os de ser un síntom a de cris is ,^^ )o p u larid ad del tem a reflejó un sentido de progreso que se dio en los intentos para unificar las leyes básicas de la física. Después de todo, com o dirían m uchos físicos, el fin últim o de ظ física fundam ental es producir una teoría final o completa y después, de alguna forma, suicidarse. Habiendo digerido esta teoría final del fírturo, no quedaría nada más و ما hacer, al m enos nada de interés fundam ental.

Hawking era p lenam ente consciente de que el tem a del fin de la física contaba con una historia larga. Relatam os en el capítulo ل cóm o en la década de 1890, M ichelson profetizó el fin de la física, aunque lo que tenía en m ente no era una gran teoría unificada. Siguiendo los tem pranos triunfos de la m ecánica cuántica, y especialm ente la for- m ulación relativista especial de la m ecánica cuántica en 1928, varios físicos sugirieron que ط física estaba aproxim ándose a un estado de p len itud . El optim ism o era enorm e )·prevaleció u n sentim iento general de que «la física estaba prácticam ente term inada», com o dijo ?eierls. El sentim iento fue expresado y hecho tamos،) p o r D irac en u n ar- tículo de 1929, «La teoría general de la m ecánica cuántica ahora está casi com pleta», escribió; «Las leyes físicas subyacentes necesarias para la teoría m atem ática de gran parte de la física y toda la quím ica son p o r tan to com pletam ente conocidas, y la difi- cuitad es sólo que la aplicación exacta de estas leyes deriva a ecuaciones dem asiado com plicadas com o para ser resolubles» (Kragh 1990, p. 267).

? ro n to se vio que el optim ism o de D irac era inftrndado y que la m ecánica cuánti- ca relativista en realidad dio paso a toda una nueva serie de problem as. La visión de


Dirac de la teoría final era, com o la de Hawking, reduccionista. Se esperaba que دس teoría verdaderam ente com pleta, en la form a de u n grupo de ecuaciones, explicara todos los fenóm enos de u n a m anera deductiva; en este sentido, los fenóm enos podrían ser reducidos a instancias especiales de la teoría final. £1 ideal de reduccionism o de ظ teoría pudo ser encontrado m uchos años antes de D irac y fue, p o r ejeniplo, el funda- m entó m etodológico de la teoría de cam po unificada de Gustav M ié de 1912. £instein tam bién suscribió la visión de que el fin ú ltim o de la física es «llegar a aquellas leyes firndam entales universales a p a rtir de las cuales el cosm os puede ser recreado por pura deducción», com o escribió en 1918 en u n discurso dado con ocasión del sexagésimo cum pleaños de Planck.

Después del optim ism o prem aturo de 1928-1930, hubo que esperar m ucho tiem po hasta que los físicos re tom aran el debate del fin de la física. M ientras, o tros físicos enfocaban la cuestión de una m anera distinta. Las teorías deductivas de M ilne y Edding- ton , desarrolladas en los años tre in ta y cuarenta, p rom etían un conocim iento apriorís- tico del universo entero, que incluiría las «explicaciones» de las constantes n a tu r a l^ tales com o la constante de estructu ra fin^La.<<teorí؛i fundam ental» inacabada de £d- d ing ton fue u n in ten to am bicioso de ap<؛ rta r u n a teoría final y difería de los intentos previos únicam ente en que era m enos ortodoxa y m ás oscura. En un artículo de 1949 titu lado «¿Habrá física mañana?», George G a ^ o w se preguntaba si el fu turo de la físi- ca «se nos aparecería com o horizontes siem p re^û ^p an sió n , ofreciendo posibilidades ilim itadas para seguir explorando, o de o tro m odo, ¿convergería la física hacia «un sistem a com pleto y ^ (:)co n sis ten te de conocim iento físico fundam ental con toda la base concienzudam ente explorada y sin descubrim ientos asombrosos?» (P T enero 1949, p. amo،v argum؛!) .(17 entó que la física fundam ental podría, en principio, estar cim entada en cuatro constantes de la naturaleza (eligió c , h , k y una long itud elem ental) y su- girió que si pasaba esto, la física habría llegado a su fin:

En caso de que todas las leyes que goh iernan los fenóm enos físicos se descubran fi-

nalm ente, y todas las constantes em píricas que ocu rren en estas leyes se expresen final-

m en te a través de cuatro constantes independien tes básicas, será cuando podam os decir

que la ciencia ha llegado a su fin, que no quedará em oción en exploraciones posteriores

y que todo lo que le queda a un físico es, b ien u n trabajo tedioso en detalles m enores,

b ien el estud io autoeducativo y la adoración de la m agnificencia del sistem a com pleto.

¡En este estadio la ciencia física en tra rá desde la ،؛poca de C olón y M agailanes hasta la

época de la revista N ational Geographic!

G am ow no requería una teoría fúndam ental unificada a p artir de la cual todas las dem ás teorías pudiesen ser deducidas, sino que las leyes fundam entales, estuvieran CO- nectadas o no, friesen conocidas. En el m ism o año en que G am ow publicó su artículo, Einstein expresó en sus Notas autobiográficas su profunda creencia de que «la naturaleza está constitu ida de tal m odo que es posible de m anera lógica form ular ،eyes tan ftiertem ente determ inadas que den tro de las m ism as sólo se den constantes com pleta

La ciencia atacada, ¿la fí$ica en crisis? 397

y racionalm ente determ inadas (no constantes, por tanto , cuyos valores num éricos puedan ser cam biados sin destru ir la teoría)» (Schílpp 1949, p. 63).

R ichard Feynm an fue o tro de los científicos que creía que el conocim iento científi- co al nivel más fundam ental era finito, y que llegaría un día en que la física a este nivel term inaría. «£sto de que siem pre vayamos a descubrir m ás y m ás leyes nuevas no puede con tinuar siempre», escribió en 965ل. C om o Gamow, usó la m etáfora de las expío- raciones geográficas para dejar claro su pun to de vista: «Tenemos m ucha suerte de vivir en una era en la cual todavía realizamos descubrim ientos. Es com o el descubrim iento de A m érica -só lo la descubres una vez-. La era en que vivim os es la era en la que esta- m os descubriendo las leyes fundam entales de la naturaleza, y ese día nunca volverá. [...] H abrá [en el futuro] u n a degeneración de ideas, justo com o la degeneración que los grandes exploradores sienten que ocurre cuando los turistas em piezan a moverse en un territorio» (Feynm an 992ل, p. 172). A unque las ideas de Gamow, Eínsteín y Feynm an no se referían a una teoría unificada, sus concepciones respecto al final de la física eran bastante similares a las que se hicieron tan populares cerca del final de siglo. Steven W einberg era uno de los m uchos teóricos de los años noventa que creía en una teoría final a p a rtir de la cual fluirían todas las líneas de explicación. La teoría no sería inevitable lógicam ente, sino que estaría aislada lógicam ente, en otras palabras, «cada constante de la naturaleza podría ser calculada a p artir de prim eros principios [...] Co- noceríam os a p a rtir de la base de m atem ática y lógica puras po r qué la verdad no es I؛- geram ente diferente» (W einberg 1993, p. 237). C ualquiera que fuera la form a precisa de la teoría final, W einberg tenía confianza en que sería m ecánico-cuántica, una postu ra com partida po r casi todos los ünifiâcionistas.

La m ayoría de las visiones de te ó r ic o ^ e ^ a r t íc u la s de una teoría final son reduc- cionistas y están basadas en u n a visión jerárquica de las ciencias que ha sido puesta en duda p o r m uchos filósofos, así com o p o ^ h n o s físicos. La crítica de Philip A nderson de los años setenta de la reclam ada superioridad epistem ológica de la física de altas energías incluía la observación: «La habilidad para reducir todo a sim ples leyes fundamentales no im plica la habilidad para em pezar a p a rtir de aquellas leyes y reconstru ir el universo. De hecho, cuanto más nos hablan los físicos de partículas elem entales sobre la naturaleza de las leyes fundam entales, m enor relevancia parece que tiene con respecto a los m uy reales problem as del resto de la ciencia, y m ucha m enor con respecto a aquellos de la sociedad» (Antlerson 1972, p. 393; véase tam bién el capítulo 21). A nderson destacó que son las soluciones a las ecuaciones, no las ecuaciones por si solas, las que se relacionan con fenóm enos físicos y que las soluciones son específi- cas a los diferentes niveles de la naturaleza. A unque los átom os y las m oléculas se constituyan a p a rtir de quarks y leptones y éstos obedezcan a las leyes de física de par- tículas elem entales, física atóm ica, quím ica y física del estado sólido no pueden reducirse a la física de partículas elem entales. Si este nivel de «emergencia» es aceptado, no hay razón para esperar que una teoría final sea una teoría «de todo». De ahí que la teo- ría final no m arcará el final de la física, so lam ente el final de la física fundam ental de altas energías.


«El final de ظ física» se puede entender en un sentido que n© tiene nada que ver con las teorías finales, unificadas. La física, tal com o la conocem os, puede term inar sim- plem ente porque las personas p ierdan interés en ella o porque los gobiernos e instituciones subvencionado™،؟ decidan que no hay necesidad de apoyar la investigac^n en física básica en u n a escala sustancial. Tales som bríos avisos no son nuevos, pero al lie- gar el siglo a su final, eran oídos con m ás frecuencia y m ás alto que antes. Y estos avisos frieron expresados por físicos que estaban preocupados por o tro periodo de crisis, acentuado p o r la carencia de descubrim ientos realm ente em ocionantes duran tes más de dos décadas. Para algunos, parecía que la crisis de los años setenta había vuelto y que factores in ternos y externos conspiraba para que la vida de los físicos fuera m ás dura. C on la disolución de la U nión Soviética en 1990, la situación se hizo particularm ente difícil para los físicos en el este de Europa y Rusia. No servía de m ucho consuelo que en el m undo occidental estuvieran m ucho m ejor parados que sus colegas orientales. Leo Kadanoff, u n teórico destacado de m ateria condensada estadounidense destacó en 1992 que la «ciencia está poco valorada» y que las actitudes anticientíficas de los se- ten ta eran aún políticam ente im portantes. «Estamos acercándonos velozm ente a una situación en la que nadie se creerá n ^ d e lo que digam os en cualquier m ateria reía- tiva a nuestro propio interés. Nada d é lo que hagam os parece que pueda detener núes- tra caída en núm ero , apoyo o valor social [...آ Hoy,؛cuando el público piensa en los productos de la ciencia, es probable pensar en ̂؛ b l e m a s m edioam bientales, inform es “científicos” despreocupados o deshonestos, hurras en Livermore para que haya “nucleares para siem pre” y una gran cantidad de ru ido ' en todos los temas,desde el calentam iento global hasta “la cara de D ios”». A unque ظ situación era seria, según la visión de Kadanoff, no era un preludio del final de la ciencia, pero sí que po- dría ser un preludio a u n papel bastante reducido de la ciencia en el siglo XXI, y de la física en particular. «En las ú ltim as décadas, ظ ciencia ha sido m uy considerada y ha sido el centro del interés y la preocupación sociales. N o deberíam os sorprendernos si esta anom alía desaparece. Todos estarem os desencantados y heridos p o r esta previsible evolución. Pero si podem os m irar con distancia y ver la situación con algo de perspectiva, todos los que estam os en la ciencia podem os decir que hem os tenido suerte de ser parte de una em presa que ha m erecido la pena» (P T octubre 1992, p. 10).

C AP ÍTU LO 27

Unificaciones y especulaciones

El problema de la unidad

En 1918 se $ab؛a que la teoría de Einstein de ظ relatividad general describía la gra- vitación y la teoría de fenóm enos electrom agnéticos de M axwell-Lorentz. Éstas eran las dos fuerzas fundam entales reconocidas en la época, p o r lo que era natu ral tra ta r de unificar am bas teorías. Las teorías de cam po de Weyl (1918) y de E ddington (1921) estaban entre las ideas de unificación m ás tem pranas pertenecientes al nuevo program a de geom etrización de la física. La apfoxim ación de T heodor Kaluza, un m atem ático de la Universidad de K óninsberg, era diferente de la seguida p o r Weyl, pero el objetivo de Kaluza era el m ism o. En u n trabajo de 1921, Kaluza atacó el p rogram a de proveer «una descripción com pletam ente unificada del m undo [...] [la cual es] una de las grandes am - biciones del espíritu hum ano» (Vizgin 1994, p. 151; cursiva en el original). Kaluza postu ló p o r un espacio riem aniano de cinco dim ensiones, añadiendo a las cuatro dim ensiones del espacio-tiem po usual una hipotética d im ensión extra del m undo. El significado físico de la qu in ta d im ensión no estaba claro, pero Kaluza descubrió que, en esta dim ensión, la trayectoria de una partícu la era siem pre una curva cerrada. Ade- más, su teoría de cam po de cinco dim ensiones, basada en catorce potenciales (diez gravitacionales y cuatro electrodinám icas), incluía tan to a la teoría general relativista de la gravitación com o a las ecuaciones fijndam entales del electrom agnetism o. Einstein en- contró atractiva la teoría al principio, pero p ron to tan to él com o la m ayoría de los otros especialistas en el cam po llegaron a la conclusión de que no tenía conexión con el m undo físico. Kaluza y los prim eros unificacionista،؟ no incorporaron el m undo cuántico a sus program as y sólo com prendieron que de alguna m anera la teoría cuán- tica cam biaría el juego de la unificación. Ya en 1916, Einstein com entó en su artículo sobre ondas gravitacionales que «la teoría cuántica deberá m odificar no sólo la elec- trodinám ica de Maxwell sino tam bién la nueva teoría de gravitación». De m odo $¡mi- lar, Kaluza reconoció que «cualquier hipótesis que declara tener una significación u n i


versal está am enazada por la esfinge de la física m oderna: la teoría cuántica» (Vizgin 1994, p. 158). En cualquier caso, ni Einstcin ni Kaluza hícíerou uso de la teoría cuánti- ca en sus teorías unitarias.

U na am pliación de la teoría de cinco dim ensiones de Kaluza para cu b rir fenóm e- nos cuánticos tam b ién fue sugerida p o r O skar Klein en 1926, poco después de la apa- rición de la m ecánica on d u la to ria de Schródinger. En la teoría de Klein, la q u in ta C O -

o rdenada no era observable pero no p o r ello dejaba de ser físicam ente significativa - e n o tras palabras, u n a m agn itud análoga a la carga e léctrica-. En este sentido, esperaba que fuera capaz de explicar la atom icidad de la electricidad com o u n a ley cuántica y tam bién explicar la c o n d u c c ió n básica de bloques de m ateria , el e lectrón y el p ro tó n . Al asum ir que el espacio de cinco d im ensiones estaba cerrado en la di- rección de la q u in ta coordenada, con un periodo defin ido X, Klein a rgum entaba que «el origen de la cuántica de P lanck puede ser buscado en esta period ic idad en la q u in ta dim ensión», esto es, quería aceptar el cuan to de acción m ás que com o una constan te irreducib le de la naturaleza. En cuan to al periodo , sugirió X = he(2K)ll2/e, siendo e la carga num érica del e lectrón y K la constan te de gravitación de Einstein. «El pequeño valor de esta longitud», que es ٨ = 10“3° m , «puede explicar la no apar¡- ción de la q u in ta d im ensión en experim entos usuales conio resultado de ob tener la m edia de la q u in ta d im ensión» escribió Klein en N aturé en octubre de 1926. La teo- ría de K aluza-Klein de las cinco dim ensiones atrajo ٧٨ in terés considerable a finales de los años veinte, y fue estud iada p o r m uchos teó ricas, incluyendo a V ladim ír Fock en la U nión Soviética, Léon Rosenfeld en B é lg ic a ^ u i s de Broglie en Francia y D irk S tru ik en los Estados U nidos. D esde alrededor de 1930, en cualquier caso, m uchos fí- sicos perd ieron interés en la teoría, que parecía lejos de ser p ro b ad a físicam ente y aplicada. C om o tan tos candidatos para ser una teoría unificada, se m antuvo en la periferia de la física d u ran te m uchos años, al ser considerada com o especulativa y sólo de in terés m atem ático.

M ucho después, sin em bargo, la teoría Kaluza-Klein experim entó un 'A m itad de los años setenta, Joél Scherk, Edward W itten y otros reconsideraron la teo- ría en conexión con las nuevas teorías de supergravedad que am pliaron ظ teoría general de ظ relatividad de Einstein. La supergravedad, una versión supersim étrica de la relatividad general, fue inventada en 1976 por Daniel Freedm an, Peter van N ieuw enhuízen y otros. Sobre 1980, la teoría m ultid im ensional de Kaluza-Klein era u n a zona caliente en la física teórica, in teractuando y com pitiendo con nuevas ideas de la gravedad cuánti- ca, tales com o la teoría de las supercuerdas. M ientras que Kaluza y Klein podían integrar ؛as cinco dim ensiones, la más popular de las teorías renacidas de Kaluza-Klein ha- cía lo posible por ob tener la unificación a través de un espacio de once dim ensiones. En cualquier caso, aunque la versión de la supergravedad de ظ teoría de K ' se consideró com o m atem áticam ente fascinante, predijo partículas que no eran similares a aquellas conocidas en la naturaleza. D espués de m ucho trabajo y considerable entusiasm o, se vio que la teoría de once dim ensiones de Kaluza-Klein no ídneionaba m ejor que el m odelo original de los años veinte.

401 ones y especulaciones؛cac؛f№؛

£ ١ difícil problem a de arm onizar ؛a m ecánica cuántica y la relatividad general fue atacado desde m uchos ángulos distintos. U n m odo fueron los in tentos de cuantizar el cam po gravitatorio, típicam ente de algún m odo sim ilar a aquel de la cuantización del cam po electrom agnético en la teoría cuántica de cam pos. Con la teoría " 'ca cuántica de H eisenberg-Pauli de 1929, pareció du ran te un tiem po que m ientras que los cam pos gravitacionales débiles podrían ser tra tados de la m ism a m anera que los cam pos electrom agnéticos. H eisenberg y Pauli m antuvieron , de m odo hiperoptim ista, que u n a cuantización del cam po gravitación^، «podría ser llevado a cabo sin nuevas di- ficuhades a través de un form alism o to talm ente análogo a este aplicado aquí [su ar- tículo de Í929]». P ronto se vio que el problem a era m ucho más difícil que lo anticipado. £1 prim ero que aplicó los nuevos procedim ientos de cuantización de cam po a la gravitación fue Rosenfeld, quien en 1930 estudió lo que llam ó los «cuantos gravitacionales». U n in ten to más com pleto y am bicioso de in tegrar la m ecánica cuántica con ظ relatividad general fue realizado p o r el físico ruso M؛؛tvei Bronstein en trabajos entre 1933 y 1936. Bronstein debatió la «física cGh» unificada y exam inó los lím ites cuánti- eos de la teoría general de relatividad en lo que m ás tarde sería llam ada la longitud de Planck /p = {hG/c’Y 12 = ~ 10~35 m . Sin em bargo, los trabajos de Bronstein atrajeron m uy poco la atención en u n tiem po en el que el interés de la física estaba centrado en el núcleo at¿m ico, la radiación cósm ica y en los problem as de la electrodinám ica cuán- tica. Se tuvo que esperar a los anos cincuenta, con el interés renovado en la relatividad general, cuando el problema, dé la cuántización del cam po ^ v i ta c io n a l fue elevado p o r más que unos pocos físicos. ¥ fue sólo entonces cuando la escala de Planck, incluyendo una m asa de Planck -(c h /G )]l2 o unos ل0'ق g ram o s- fueron debatidas explícita- m ente en la literatura física, al princip io p o r Klein y John W heeler. D irac, Peter Berga- m ann y otros trabajaron en los llam ados nuevos m étodos canónicos de gravitación cuantizada, una aproxim ación que culm inó en 1958, cuando Dirac obtuvo con éxito la teoría general de la relatividad en la form a ham iltoniana. Con la teoría en esta form a, era relativam ente fácil aplicar las reglas de la cuantización a los cam pos gravitacionales. D irac sugirió en 1959 que los cuantos resultantes de la gravitación se llam aran «gravitones», un nom bre que inm ediatam ente se acuñó com o parte del vocabulario de los físicos. A parentem ente no estaba al tan to que el nom bre gravitavitón para u n cuan- to de energía gravitatoria ya había sido presentado p o r D m itri Blokhintsev y £ Galpe- rin en 1934, en u n artículo publicado solam ente en ruso.

Teorías de gran ،^¡ficación

En 1973, la teoría electrodébil y la nueva crom odinám ica cuántica (CDC) estaban en su lugar y eran am pliam ente aceptadas com o buenas teorías para las interacciones débiles, electrom agnéticas y fuertes (capítulo 22). La sim etría asociada con la teoría electrodébil de W einberg-Salam era conocida com o una sim etría SU(2) X U (l) rota, la de CD C u n a sim etría SU(3). La teoría de gauge SU(2) X L؛( l) fúe la p rim era unifica- ción con éxito en la física de partículas m oderna, pero no fue una teoría realm ente un i


ficada en el sentido fidedigno de la palabra. Por ejem plo, operaba con dos in teracciones diferentes y constantes de em parejam iento asociadas. La am pliación de la teoría electrodébil para cubrir interacciones fuertes tam bién estaba d irectam ente conseguida al am pliar SU(2) x U ( l) en SU(3) x SU(2) x U (l) . En este caso, la teoría jugaría tanto con leptones com o con quarks, pero aun así estaría basada en diferentes grupos, distintas constantes de em parejam iento y diferentes partículas elementales. A principios de 1974 Howard Georgi y Sheldon Glashow en la Universidad de H arvard sugirieron en un artículo program ático que una unificación adecuada de las tres fuerzas de la na tu raleza debería estar basada en un grupo simple conocido com o el SU(5), el cual era diferente de una simple com binación de los grupos de SU(3) y SU(2) x U (l) . «Presentamos una serie de hipótesis y especulaciones» escribieron am bos teóricos, «que llevaban indefectiblemente a la conclusión de que SU(5) es el grupo de gauge universal, que todas las fuerzas de partículas elementales (fuertes, débiles y electromagnéticas) son m anifestaciones diferentes de la m ism a interacción fundam ental que involucra una sola fuerza de acoplam iento, la constante de estructura fina» (Zee 1982, p. 46).

En este p rim er ejem plo de una gran teoría unificada, Georgi y Glashow afirm aban que en la descripción del SU(5), las tres constantes de acoplam iento se fundirían en una sola a m uy altas energías o, lo que llega al m ism o extrem o, a distancias extrem adam ente pequeñas. Al contrario de m uchas o tras teorías unificadas, la teoría SU(5) se relacionaba directam ente con la física em pírica. Según Georgi y Glashow, una cierta cantidad experim entalm ente determ inable en la teoría electrodébil (el parám etro Sen 2Q ,̂ siendo 0،v la llam ada mezcla o ángulo de W einberg) se poctóa calcular com o 3/8. En la teoría electrodébil de W einberg-Salam la cuanfización podría ser determ inada sólo m ediante experim ento. O tro hecho atractivo ،le la teoría SU(5) es que explicaba la igualdad de la carga num érica de protones y electrones, esto es, p o r qué los átom os de hidrógeno son neutros. H asta la llegada de SU(5) la igualdad de carga se había considerado sim plem ente u n hecho accidental de la naturaleza, sin relación alguna con la teoría fundam ental. A princip ios de los sesenta, respondiendo a una sugerencia de H erm ann Bondi y R aym ond Lyttleton de que podía haber una pequeña pero cosm ológicam ente im portan te diferencia de carga, los experim entos probaron que la diferencia de carga, de existir, era m enor que 1 entre 1020. C on la teoría de Georgi-Glas- how, había ahora razones teóricas para pensar que las cargas eran exactam ente iguales. De m odo más sorprendente aun, la teoría predecía que el p ro tó n era inestable. Éste tam bién podría ser el caso del neu trón , incluso estando en núcleos atóm icos no ra diactivos. La teoría unificada SU(5) incorporó no sólo los quarks, los leptones y las partículas de intercam bio electrodébiles (el fo tón y los bosones pesados W y Z ), sino tam bién un g rupo de bosones vectoriales coloreados superpesados conocidos com o partículas X. Éstos requerían cargas eléctricas fracciónales, 1/3 ó 4/3 de am bos signos. Curiosam ente, las nuevas partículas causarían transiciones entre los quarks y leptones, un tipo de reacción no perm itida p o r teorías anteriores. C om o ejem plo, Georgi y Glashow m encionaron el proceso p o r el cual un p ro tón se desintegra en un positrón y en un p ión neutro , a través de un m ecanism o donde uno de los quark arriba (up-quark)

Unificaciones y especulaciones 403

del p ro tón transm ite una partícula X a su quark abajo (dow n-quark). Ésta era sin duda una predicción sorprendente y una de las razones para el com entario de Georgi y Gals- how: «N uestra hipótesis puede estar equivocada, y nuestras especulaciones pueden no tener u tilidad alguna, pero la sim plicidad y unicidad de nuestra idea son razones suficientes para que sea tom ada en serio».

La aproxim ación G eorgi-Glashow fue desarrollada rápidam ente po r Georgi, Helen Q u inn y Stcven W einberg, quienes, unos cuantos meses más tarde, aplicaron las técni- cas de renorm alización de grupo para calcular las constantes de acoplam iento efectivas com o fanciones de la energía. Lntendieron que el valor original para el parám etro de ángulo de mezcla, 0,375, era válido sólo ante la energía extrem a característica de ظ unificación (alrededor de 10قل GeV) y encon traron un valor de unos 0,20 ante bajas energías. En 1974 este valor predicho era m arcadam ente m enor que el m ejor valor experim ental (unos 0,35), pero experim entos posteriores dieron resultados m ucho más coincidentes con el valor teórico. En 1980, el valor experim ental había descendido a 0,23 ± 0,02, lo cual naturalm ente llevó a que los físicos se tom aran la teoría en serio. Los cálculos de Georgi, Q u inn y W einberg tam bién les encam inaron a estim ar la m asa de los bosones superpesados en u n valor tan grande com o el de 1017 GeV, que no estaba lejos de la m asa de/Planck y que, p o r tan to , sugería u n a conexión posible con la teo- ría de la gravitación. Con /especto a la vida de los protones, los tres físicos dieron la prim era estim ación teórica, concretam ente entre 1031 y 1032 años. Según la sugerencia de Georgi y G laô w , se predecía la desintegración del p ro tón com o m ediada p o r un bosón X que causaría que el p ro tón cam biara a, po r ejemplo, un p ión neutro y un po- sitrón. D ebido a la desintegración del p ión en pares de electrones generados p o r ؛'oto- nes gam m a, la desintegración dejaría una traza claram ente detectable de trayectorias de electrones (p ' —> TT؛؛ e+; TT° —>yy; y —>e~ e+). C on los trabajos de Georgi, Glashow, Q uinn y W einberg, así com o el trabajo independiente realizado po r Abdus Salam y Jo- gesh Pati, la teoría unificada SU(5) fue lanzada con éxito com o el p rim er y prototíp í- co ejem plo de una teoría de gran unificación, o TGU, po r sus siglas, para abreviar. Fue elevada enseguida p o r m uchos teóricos que vieron que éste podría ser u n paso im portante hacia la largam ente trabajada unificación de las fuerzas de la naturaleza. De acuerdo con un físico, «la idea de gran unificación nos libera de nuestra m onótona existencia entre los desechos de la ru p tu ra de la sim etría, liberándonos para soñar sobre la física «verdadera» a 10؛؛ GeV en u n salto m agnífico de la im aginación, proba- b lem ente sin precedentes en la historia de la física». La predicción de la inestabilidad del p ro tón , y po r tan to la inestabilidad de toda la m ateria, fue calificada com o «la pre- dicción m ás con tundente de nuestra era» (Zee 1982, pp. 260 y 242). En 1981 existía una industria , pequeña pero en expansión, de la gran unificación. U na reseña de los ar- tículos publicados en este año incluye alrededor de 800 referencias.

La posibilidad de que los protones pudieran ser inestables había sido m encionada brevem ente, sólo para rechazarla, po r Weyl en 1929. En 1938, Ernst Stueckelberg afir- m ó explícitam ente: «ninguna transm utación de partículas pesadas (neu trón y pro tón) hacia partículas ligeras (electrón y neu trino) ha sido observada hasta ahora en níngu-


na transform ación de m ateria. Por tanto, exigimo$ una ley de la conservación de la carga pesada» (Pais 1986, p. 488). La ley em pírica de la conservación del nucleón de Stue- ckelberg llevó, en el periodo de posguerra, a la. ley de conservación de bariones (el nom bre «barión» fue propuesto p o rA b rah am Pais en 1954). A unque se daba por buena esta ley en general, unos cuantos experim entalistas buscaron indicios de desinte- gración de pro tones m uchos años antes de que el tem a estuviera en boga com o resultado de las predicciones del SU(5). En 1954, Frederick Reines y Clyde Cowan estaban p reparando los experim entos que, dos años después, resultarían en la detección del neutrino. Reines y Cowan, en colaboración con M aurice Goldhaber, observaron que su sistem a de detectores tam bién podría ser usado para fijar un lím ite m enor en el tiem - po de vida del p ro tón , y concluyeron en 1954 que el tiem po de vida era m ayor que 1022 años. Experim entos posteriores y m ás elaborados, desarrollados tres kilóm etros por debajo de la superficie de la tierra en una m ina de oro sudafricana en 1974 resultaron en u n lím ite m enor de 2 X 103° años. Éste era u n valor cercano al valor predicho cam ente, pero el experim ento, cuyo objetivo principal era la detección de neu trinos, no tenía conexión directa con la predicción de la desintegración de protones. De hecho, en 1974 llevaba funcionando casi tres años, para poder conseguir la sensibilidad necesaria. Al m ism o tiem po, cuando Reines y M. E (]rouch publicaron el resultado a principios de 1974, sí que relacionaron su experim ento con u n «interés reciente en la posibilidad de que la conservación de bariones puede no ser un princip io absoluto».

C uando la predicción de TGU se hizo conocida, y especialm ente después de que los nuevos cálculos de 1979 m ostraran un tiem po de vida de 10 años com ا3 o probable (en lugar de los 1037 años, com o algunos teóricos habían calculado), el interés en los experim entos de desintegración del p ro tó n aum entó drásticam ente. El re c i ta d o fue una serie de grandes experim entos de gran unificación en la gran ciencia^de Estados Uni- dos, India, Japón, la U nión Soviética y Europa. U no de lo؛ prim aros experim entos, a través de una colaboración entre laboratorios estadounidense^ se desarrolló en una p ro funda m ina de sal en ()h io , rellenada con 10.000 toneladas de agua m uy pura. El sistem a detector pesaba unas 8.000 toneladas y em pleaba más de 2.000 tubos fotom ultiplicadores. No se encontró n inguna desintegración de protones en el experim ento; aunque otros experim entos in form aron de unos pocos candidatos para la desintegra- ción de los protones, éstos no pudieron ser probados. La situación duran te la siguiente década no cam bió sensiblem ente. Los experim entos se hicieron más grandes y más caros, pero no se encon traron signos seguros de desintegraciones de protones.

Q ue la teoría de la gran unificación no consiste sólo en cálculos m atem áticos, sino que puede involucrar tam bién algo de ciencia m uy grande, se ilustra con el proyecto japonés-estadounidense Super-K am iokande. Éste es el observatorio de neu trinos más grande del m undo , un detector Cherenkov de agua localizado en la m ina de Kamioka al norte de 'lokio. El tanque de agua Super-K am iokande tiene un volum en de unos 50.000 m etros cúbicos y está rodeado p o r unos 13.000 tubos m ultiplicadores suficientem ente sensibles com o para detectar fotones individuales. El detector ha buscado la desintegración de nucleones desde que es operativo en 1996, pero hasta ahora la bús


queda ha sido en vano. ¿Significaba el fracaso en observar la desintegración de p ro to nes la refutación de la teoría de la gran unificación? No, los resultados experim entales m ostraron que la teoría SU( 5) original no era adecuada, pero no fueron in terpretados com o u n fracaso de la idea de TGU com o tal. H abía m uchas o tras form as de TGU en el m ercado, que ofrecían distin tos tiem pos de vida y de m odos de desintegración del p ro tón , p o r lo que el esquem a de la TGU no era fácilm ente descartable.

La desintegración predicha del p ro tón no era la única razón p o r lo que las TGU eran consideradas com o áreas extrem adam ente interesantes de investigación alrededor de 1980. Los bosones X y sus efectos eran indetectables, o casi, a tem peraturas norm ales, pero se esperaba de ellos que desem peñaran un papel im portan te en las tem peraturas m ucho más altas que gobernaron el universo prim itivo. Para poder estudiar los efectos físicos de las partículas X , el universo prim odial del big bang era el laboratorio ideal (y dado que las energías de orden de 1015 GeV estaban m ucho más allá de aquellas p ro d u cidas por cualquier acelerador concebible, el único realista). Ya en 1967, el físico soviético Andrei Sajarov -qu izá más conocido com o disidente po lítico - había sugerido que el núm ero bariónico podía no conservarse exactam ente y que la no conservación podía ser cosm ológicam ente im portante. La sugerencia no atrajo m ucho interés, y hubo que esperar hasta 1978, cuando el japonés M otohiko Yoshimura usó las nuevas TGU para predecir una sim etría barión-an tibarión causada p o r bosones X prim ordiales, para que la cosm ología llegara a ser u n a parte im portan te de las TGU y viceversa.

A unque el Super-K am iokande no ha encontrado desintegración alguna de p ro to nes, su labop 'ñó 'ha sido en vano. En 1998 los datos de neutrinos de rayos cósm icos in dicaron la existencia de oscilaciones de neutrinos, es decir, que los neutrinos m uónicos cam bian hacia algún o tro tipo de neu trinos que no son neu trinos electrónicos corrientes. Los inform es galvanizaron a la com unidad de física de partículas, ya que las oscilaciones significaban que al m enos uno de los neutrinos involucrados debía poseer masa y que el m odelo estándar debía, p o r tanto , ser m odificado.

Teoría de las supercuerdas

A pesar de lo im prsionantes y com pletas que eran las teorías de la gran unificación, según algunos físicos no lo eran lo bastante. Desde u n pu n to de vista m etodológico, se veía com o u n defecto que no estuvieran basadas en u n princip io fundam ental y que incluyeran varios parám etros libres, com o las constantes de acoplam iento y las masas de quark y de leptón. Asim ism o, las TGU no incluían la gravedad y p o r tan to eran in com pletas. La candidata m ás popu lar del fin del siglo xx para una teoría unificada com pleta, la teoría de las supercuerdas, incluía una teoría cuántica de la gravedad y evitaba los parám etros libres. De todos m odos, la teoría no había sido desarrollada orig inalm ente com o un in ten to de resolver el antiguo enigm a de cóm o unificar la m ecánica cuántica y la relatividad general.

La teo ría de cuerdas m o d e rn a tiene su origen en el contex to del p ro g ram a in sp irado en la m atriz S p ara en ten d er las in teracciones fuertes. En 1968, el teó rico ita


liano G abriele Veneziano sugirió u n m odelo de h ad rones p ara explicar d e te rm in ados procesos de colisión. A prox im adam ente dos años después, Yoshiro N am bu y o tro s in te rp re ta ro n la teo ría de Veneziano com o un m odelo de cuerdas, m ás que de partícu las. En cualqu ier caso, enseguida se vio que los m odelos de cuerdas del tipo V eneziano-N am bu eran no físicos: describ ían sólo bosones, requerían un espacio- tiem po de 26 d im ensiones y p redecían u n a partícu la de espín 2 sin m asa, así com o u n taq u ió n (com o estado fu n d am en ta l del espectro de m asa). Los taqu iones, p a r tículas h ipo té ticas que se m ueven m ás ráp ido que la luz, tienen m asas im aginarias; au n q u e son coherentes con la teo ría de la relativ idad, n o son p artícu las cuánticas aceptables.

A princip ios de los años setenta, una teoría de alguna m anera m ás realista, el «m odelo p ión dual decadim ensional», fue elaborada p o r John Schwarz y A ndré Neveu. La nueva teoría incorporaba tan to ferm iones com o bosones. Para que el m odelo tem prano de cuerdas sea una teoría consistente, el espacio-tiem po tiene que estar dotado de diez dim ensiones, u n a tem poral y nueve espaciales. La presencia inevitable de una partícu la sin m asa de espín 2 fue vista en p rincip io com o un defecto, porque n inguna partícu la así podría ser de relevancia para la física de hadrones. Sin em bargo, en 1974, Schwarz, en colaboración con el teórico francés Jóel Scherk, convirtió la dificultad en v irtu d al com prender que la partícu la podría ser un gravitón. H asta en ton ces, la teoría de cuerdas había sido una teoría de las interacciones fuertes, sin referencias a la gravitación. La teoría ahora era re in terp retada com o una candidata a una teoría unificada de todas las fuerzas fundam entales. Se com píobó que, paija encon trar el valor correcto de la constante de gravitación, la escala de longitud de tas cuerdas necesitaba estar cercana a la longitud de Planck, es decir, inm ensam ente m enor que las cuerdas hadrónicas originales. Los objetos de la teoría, las cuerdas, eran m uy diferentes de las partículas puntuales (leptones, quarks) que aparecían en el m odelo estándar. Las cuerdas son curvas un idim ensionales de 10~35 m etros de extensión que p u eden existir en dos versiones, abiertas y cerradas. Las tensiones de las cuerdas son enorm es, correspondientes a energías de 1019 GeV. Las excitaciones o vibraciones de u n a cuerda se in terp re tan com o el origen del espectro de partículas elem entales, con esperanza de inclu ir aquellas conocidas em pírica y definitivam ente, incluyendo m u chas otras. En las teorías de supercuerdas, hay m uchas partículas correspondientes a u n tipo dado de v ibración y se supone que todas las partículas conocidas pueden ser descritas po r el estado fundam ental. Las diez d im ensiones necesarias se superan en un núm ero de seis, pero las seis d im ensiones extra se ondu lan o «com pactifican» de m anera sim ilar a la qu in ta d im ensión en las teorías de Kaluza-Klein. Esto será, p o r ta n to, no observable.

El interés en la teoría de cuerdas en los años setenta era lim itado, en parte p o r el desarrollo con éxito de la CDC después de la «revolución de noviem bre» en 1974. Aun así, un núm ero reducido de teóricos con tinuaron trabajando en la teoría de las cuerdas, la cual en 1980 se había convertido en la teoría de supercuerdas, o sea, que incorporaba supersim etría espacio-tiem po. En las teorías supersim étricas (SUSYs), todas las


partículas tienen partículas hipotéticas asociadas, com o los «squarks», «selectrones», «fotinos» y «gravitinos»; p o r ejem plo, un electrón es un electrón de espín cero supersim étricam ente transform ado. N i el selectrón ni o tros socios supersim étricos exóticos han sido jam ás encontrados. Una de las ventajas de incorporar la supersim etría era que desaparecería el estado fundam ental taquiónico. Las teorías de supercuerdas, tal com o existían desde los prim eros años ochenta, eran m atem áticam ente interesantes, pero no parecía que tuv ieran m ucha relevancia física. Incluso en el ám bito teórico, había varios problem as, básicam ente que las teorías estaban plagadas de infinitos y lo que se conoce técnicam ente com o anom alías. Las anom alías son condiciones que incum plen las leyes de sim etría o de conservación cuando la teoría es cuantizada, y, p o r tan to hacen que la teoría sea inconsistente. Existían otros problem as de consistencia, tales com o que las diez dim ensiones parecían incom patibles con la form a correcta de la teoría de las supercuerdas.

En el verano de 1984, Schwarz y su colaborador británico M ichael Green, basándose en el trabajo de Edward W itten y otros, dieron nueva vida a la teoría dem ostrando que todas las anom alías podrían anularse entre sí en el caso de que la teoría estuviera gobernada p o r uno de los grupos de sim etría in ternos conocidos com o SO(32) y Eg x E؛؛. En la teoría de supercuerdas SO(32), la excitación de la carga surgió com o resultado de incluir la éravédad, y fue esta teoría la p rim era que Schwarz y G reen desarrollaron. Poco después de este-im portan te hecho, W itten sugirió que las supercuerdas SO(32) podrían ser com pactificadas para conseguir u n a teoría cuatridim ensional. El artículo de Schwarz-Green inició lo que se vino a llam ar la «revolución de las supercuerdas», que se inició casi exactam ente diez años después de la «revolución» de la teo ría de cam po de gauge convencional. O tro com ponente im portan te de la revolución de 1984 fue el desarrollo de una nueva versión de la teoría de las supercuerdas, conocida com o la teoría heterótica, llevado a cabo p o r D avid Gross y sus colaboradores en la U niversidad de Princeton. La teoría de supercuerdas heterótica se basó en el g rupo Eg x E8 y solam ente perm itía cuerdas cerradas. Siendo una mezcla de la an terior teoría de cuerdas de bosones de 26 dim ensiones y la nueva teoría supersim étrica decadim ensional, la teoría heterótica se consideró p rom etedora con respecto a las conexiones con el m undo de las bajas energías. El hecho m ás destacable de las tres teorías de supercuerdas consistentes conocidas hasta finales de los ochenta residía en que eran únicas y estaban com pletam ente libres de parám etros ajustables. La estructu ra m atem ática de la teoría de supercuerdas estaba hilada de m anera tan densa que no se podía cam biar sin desm oronarse. Éste fue un hecho que atrajo a m uchos teóricos físicos: en un con traste radical a las teorías unificadas m ás tem pranas, den tro de la tradición de cam po de gauge, el desarrollo com pleto de la unificación de supercuerdas fue m atem ático. No hubo n ingún aporte experim ental de los laboratorios ni sugerencias de nuevos experim entos basados en la teoría de supercuerdas.

C on los avances del o toño de 1984, la teoría de supercuerdas se hizo m uy popu lar entre los teóricos de m ente m atem ática. O currió una especie de efecto arrastre. M ientras que el núm ero anual de artículos relacionados con la teoría de cuerdas había sido


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Gráfcio 27.1. Número de artículos sobre cuerdas y supercuerdas. Fuente: Galison 1995. Reimpreso con permiso de Walter de Gruyter GmbH & Co.

inferior a 100 duran te los años 1975-1983, en 1987 se publicaron unos 1.200 artículos sobre el tem a (véase gráfico 27.1). La teoría de las supercuerdas fue aclam ada com o un gran logro, casi la realización de un sueño de más de cien años, el tram polín hacia una nueva física, el codiciado Santo G rial de u n a teoría cuántica de la gravedad. Al m enos, así era com o los propios teóricos de cuerdas veían la situación. W itten esperaba que el próxim o en tendim iento correcto de la teoría de cuerdas «involucrara una revolución de nuestros conceptos de las leyes básicas de la física -s im ila r en m agnitud a cualquiera que haya ocurrido en el pasado-» (Davies y Brown 1988, p. 97). Proclam ó que la teoría «dom inará la próx im a m itad de siglo, así com o la teoría cuántica de cam pos ha dom inado la m itad de siglo previa» (P T julio 1985, p. 20) y Schwarz sugirió que la teoría heterótica bien podría ser la m ítica «teoría del todo» (TD T) que en princip io im plicaría el final de la física fundam ental.

No todos los físicos estaban contentos con respecto a la au toproclam ada revolución de las supercuerdas. El p rincipal problem a de la teoría de las supercuerdas, según m u chos, era su deslum brante falta de correspondencia con la experim entación. La teoría no predecía nada no trivial que pudiese ser com probado, sin em bargo se creía que in cluía física a energías más bajas, las partículas y resultantes de la física convencional no podían deducirse de hecho de la teoría. N o fue nada sorprendente que m uchos experim entalistas de altas energías recibieran la revelación de las supercuerdas con algo m enos que gran entusiasmo. Varios años antes del im portante hito de las supercuerdas, en 1984, com enzó u n acalorado debate. Los experim entalistas no estaban solos en la o p o sición a una teoría que sólo podía ser com probada a través de las m atem áticas: a éstos se un ieron teóricos a los que no les gustaba la falta de contacto de la teoría con la experim entación. E ntre los oponentes o escépticos estaban Feynm an, Glashow, Schwin-


ger y Georgi, m ien tras que W einberg y Salam estaban a favor y aceptaron con en tu siasm o la teoría de las supercuerdas. Glashow fue uno de los oponentes m ás categóricos de los teóricos de supercuerdas, a los cuales criticó p o r sustitu ir arrogantem ente la noción em pírica de verdad con consideraciones pu ram ente m atem áticas de unicidad y belleza. «Hasta que los partidarios de las cuerdas no in terpreten propiedades percibidas del m undo real, sim plem ente no están haciendo física», escribió Glashow en 1998. Se preguntó , retóricam ente, «¿deberían pagarles las universidades y perm itirles pervertir a estudiantes impresionables? [...] ¿No son las teorías sobre cuerdas m ás adecuadas en los departam entos de m atem áticas o incluso en sem inarios de teología que en departam entos de física?» (Galison 1995, p. 399). Para Glashow, los teóricos de cuerdas eran «fanáticos excéntricos que siguen visiones extrañas» y la m oda de las supercuerdas una enferm edad «m ucho m ás contagiosa que el sida» (D aviesy Brown 1988, p. 191). W einberg reconoció la dificultad de asociar la teoría de supercuerdas con una descripción física que pud iera ser p robada experim entalm ente, pero no consideró que eso fuese un defecto:

La teoría final va a ser lo que es po rque es m atem áticam en te consistente. Entonces la

in terp re tac ión física vendrá sólo cuando pueda resolver la teoría y lo que predice p ara fí

sica a energías accesibles. Ésta es la física en u n reino que no es accesible d irec tam en te a

la experim entación , y el p rincip io que lo guíe no puede ser la in tu ic ión física po rque no

tenem os n inguna in tu ición para lid iar a esta escala. La teoría debe estar condicionada

p o r la consistencia m atem ática. Esperem os que esto conduzca a u n a teoría con solucio

nes que se parezcan al m u n d o real a energías accesibles. (Davies y Brown 1988, p. 221)

El in terés en la teo ría de las cuerdas declinó a p rinc ip ios de los noventa, pero en 1998, el op tim ism o y la em oción hab ían vuelto a la co m u n id ad de las cuerdas. La razón p rincipal de esto fueron los nuevos desarrollos en lo que se v ino a conocer com o teoría M , teo ría P -brana y teo ría D -b rana , que son tipos de teorías de cuerdas generalizadas. El nuevo trabajo p rom etió nuevos m odos de enlazar los resu ltados de las teorías de cuerdas y de aquellos de las teorías m ás convencionales de cam po de gauge.

Cosmología cuántica

La idea de usar física de partículas para conform ar y restringir las teorías cosm ológicas ya data del origen de la física de partículas elem entales a princip ios de los años trein ta, y desem peñó u n papel im portan te en los trabajos pioneros de Gamow, A lpher y H erm án a finales de los cuarenta. C on el desarrollo rápido de la física de altas energías en los sesenta y setenta, la conexión cercana entre cosm ología (y astrofísica) y la física de partículas se estrechó. De acuerdo con algunos físicos, la relación cam bió el estado com pleto de la cosmología: Parece que [...] la cosm ología se ha convertido en una verdadera ciencia en el sentido de que las ideas no sólo son desarrolladas sino que


tam bién se p rueban en el laboratorio [...] Esto dista m ucbo de lo que ocurría en los tiem pos en que proliferaron las teorías cosm ológicas y había pocas form as de confir- m ar o de refotar alguna de ellas aparte de p o r su atractivo estético» (Schram m y Steig- m an 1988, p. 66). Además, la confianza en el m odelo caliente de big bang condujo a la gente a usar este m odelo para ob tener conocim ientos de la física de partículas a ener- gías extrem as del universo m uy tem prano , energías m uy po r delante de lo que ningún acelerador en la tierra podría producir. En este sentido, el universo tem prano se con- v irtió en «el acelerador del pobre», com o se llam aba con asiduidad, m ientras que la fí- sica de altas energías y la cosm ología en tra ron en una relación crecientem ente sim bió- tica. M ientras que la astrofísica nuclear era un cam po bien establecido en los años cincuenta, la astrofísica de partículas em ergió com o u n nuevo subcam po vigoroso de la física en los años setenta. Por ejem plo, la sim biosis se hizo m anifiesta en la publica- ción Astroparticle مأمم;،'ئ ءة , fundada en 1992.

Según el escenario hipotético del big bang, tal com o era aceptado por m uchos especialistas alrededor de 1980, la fase inicial del universo u ltradenso y ultracaliente de Planck (los prim eros 10“43 segundos) estaba regida p o r la gravedad cuántica, y p o r tan- to fuera del alcance del conocim iento científico presente. A ط expansión siguió u n enfriam iento y m enores -a u n q u e aún gigantescas- energías de ا0؛ة GeV o más. En esta fase, las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas estaban unidas, de acuerdo con las teorías de la gran unificación. U na expansión posterior, ahora a u n tiem po entre 1033 segundos y 102 segundos después de cero, im plicaba un deshielo o una ru p tu ra simé- trica de, en p rim er lugar, las interacciones fuertes y después las débiles y electrom ag- néticas. Al final de esta fase, se en tend ía que tan to la p roducción de los bosones X com o la de los bosones IV se había detenido y las fuerzas de color em pezaron a exis- t ir en la form a de nucleones. Los periodos de enfriam iento consiguientes eran de m e- ñ o r interés para los físicos de altas energías, ya que correspondían a energías obteni- bles en el laboratorio

C om o se m enciona en el capítu lo 23, u n o de los p rim eros y m ás im portan tes resu ltados de partículas ob ten idos de los cálculos de big bang era que el núm ero de especies de n eu trinos podría ser com o m ucho de cuatro , para poder concordar con la observada abundancia de helio, un resultado ob ten ido en 1977 p o r G ary Steigm an, D avid Schram m y James G unn. Posteriores refinam ientos condu jeron a u n lím ite inferior de tres fam ilias de neu trinos. La predicción, basada ún icam ente en argum entos cosm ológicos, fue confirm ada en 1993 con resultados del colisionador LEP (Lar- ge E lectron Positron) del CERN, que ind icaban que hab ía sin d uda tres especies de neu trinos. C om o destacó Schram m , «de algún m odo, ésta fue la p rim era vez que un colisionador de partícu las había sido capaz de p ro b ar una teoría cosm ológica, y tam - bién m ostró que el m atrim o n io en tre física de partícu las y cosm ología sin d uda ha- bía sido consum ado» (Schram m 1996, p. xvii). La fron te ra del núm ero de especies de neu trin o s suponía que los n eu trinos no ten ían m asa o casi no la tenían. La posibilidad de los neu trin o s tau pesados no podía ser excluida, pero los cálculos de 1991 m ostraban que la nucleosíntesis p rim ord ia l requería que la m asa del n eu trin o tau

Unificaciones مل especulaciones 41

fuera m en o r de 0,5 MeV. Esta restricción concordaba con la ob ten ida experim ental- m ente, pero era m ás precisa que ésta y p o r tan to perm itió que fuera o tra p rueba del escenario h ipo tético tem prano del big bang. La restricción del núm ero de fam ilias de n eu trin o s a tres fue en general algo que llevó a im plicar que el núm ero de fam ilias o «generaciones» de todas las partícu las fundam entales (leptones y quarks) tam bién es- taha lim itada a tres.

Los cálculos cosm ológicos m encionados se asentaban en la teoría electrodébil es- tán d a r y a la vez la apoyaban, pero no a las TGU, incluyendo las interacciones fúertes. Las nuevas teorías de gran unificación de tipo SU(5) fueron inm ediatam ente em plea- das para abo rdar cuestiones cosm ológicas que habían perm anecido hasta entonces m ás allá de la explicación. Una de las cuestiones era relativa al casi com pleto predo- m inio de la m ateria respecto a la antim ateria. ¿Por qué no hay, en tan to se pueda CO-

nocer, an tim ateria alguna en el universo? C o n tinuando a p a rtir de las especulaciones de D irac de 1933, Nlaurice G oldhaber sugirió en 1956 que la sim etría partícu la-an ti- partícu la se extendiera al universo entero. P ropuso que el universo podría consistir en un cosm os y en un «anticosm os» separado desde el m ism o com ienzo de su existencia. U nos cuantos físicos estaban de acuerdo con G oldhaber en que el universo es sim é- trico en tre la m ateria y an tim ateria a una escala m uy grande, pero esto era una visión m inoritaria . En los años sesenta, el físico sueco, y posterio rm ente prem iado con un Nobel, H annes Alfvén, sugirió una teo ría cosm ología basada en cantidades iguales de las dos form as de m ateria. Su teoría fue ignorada o rechazada, no sólo po rque fuera p ropuesta com o u n a alternativa al m odelo de big bang, sino porque tam poco existía rastro de las ingentes cantidades de an tim ateria que requería. H asta 1975, la cuestión de la an tim ateria había sido debatida du ran te dos décadas, pero no se le había encon trado n ing u n a explicación. La visión aceptada era que la asim etría de la m ateria, o la desigualdad del núm ero bariónico , era p o r algún m otivo parte de la condición inicial del universo. En o tras palabras, m ás que explicar la asim etría, se tom aba com o un factor contingente.

C on la no conservación del núm ero bariónico incluido en las grandes teorías unificadas, se obtuvo fácilm ente una explicación de la asim etría. En su trabajo de 1978, Yoshimura asum ió un universo inicialm ente sim étrico, y m ostró que el incum plí- m iento de la conservación del núm ero bariónico y la ؛nvariancia CP característica de la TGU conducía a un exceso de partículas sobre las antipartículas poco después de la creación en í = 0. La razón de desintegración de partículas X en el universo m uy tem - p rano diferiría de aquél de las partículas anti-X , y el resultado habría sido de más quarks y leptones que antiquarks y antileptones. La aniquilación haría el resto del trabajo y la com posición actual del m u n d o en térm inos de partículas podría ser vista, po r tanto , com o resultado de una gran unificación tem prana. D urante el periodo de 1978- 1980, Yoshimura, W einberg, Frank W ilczek y otros usaron tam bién la TGU para resolver o tra cuestión cosmológica: básicam ente, para decirlo en plata, saber po r qué el universo está tan vacío. El núm ero de bariones en la parte observable del universo es alrededor de وص (núm ero de Eddington) y el de fotones de 10 ؟ Esta proporción .؟ se


considera com o una cantidad fundam ental, ya que la teoría prescribe que sea constante en el tiem po. ¿Por qué hay mil m illones de veces m ás fotones que bariones? Según d razonam iento de la TGU, éste no siem pre había sido el caso, pero era el resultado de ط ligera asim etría en el proceso de aniquilación quark -an tíquark en el universo tem prano. La aplicación de la TGU a la cosm ología condujo a éxitos brillantes, pero tambier. a severos problem as. Por ejem plo, se esperaba que se form ara un núm ero grande de enorm es m onopolos prim arios, unas 10’؛ veces m ás pesados que los protones. Sin embargo, no se ha observado nunca ni un solo m onopolo.

La im plicación cosm ológica m ás im portan te de las ' ل(آرات , una especie de derivación, quizá fuera el m odelo inflacionario presentado p o r Alan G uth en 1981 y m ejorado por A ndrei Linde y de m odo independiente p o r Andreas A lbrecht y Paul S teinhardt en 1982. El m odelo del universo inflacionario se basaba fundam entalm ente en la fase d e

transición relacionada con la ru p tu ra espontánea de la sim etría predicha p o r la TGL' ه una tem pera tu ra de unos 1027 K. A unque este m odelo tuvo éxito a los ojos de m uchos cosm ólogos, tam bién los había que pensaban que la inflación era una quim era. ¿Cómo de en serio se debería tom ar una teoría cosm ológica que dependía p o r com pleto d e

una gran teoría unificada cuya principal predicción, la desintegración de protones, ha- b ía fracasado en su verificación? Lntre estas pasajeras m odas teóricas, las supercuerdas no eran lo único que preocupaba a físicos y astrónom os. «[El m odelo inflacionario] no tiene evidencias que lo apoyen», escribieron dos cosm ólogos, «y sin em bargo, com o la teoría es bella en el aspecto m atem ático, m uchos m atem áticos la han asum ido y han elegido no to m ar en cuenta estos tem as [...] la cosm ología está ' a ظfron tera en la que la ciencia ya no está basada en la evidencia experim ental y deja de realizar predicciones com probables. U na vez que se ha cruzado esta línea, hem os dejado atrás el m undo de la física y hem os en trado en el reino de la metafísica» (R othm an yE llis 1987, p. 22).

H abía físicos que lidiaban con los aspectos cuánticos de la cosm ología en m odos m uy diferentes y m ucho más especulativos que los físicos de las TGU. La idea de aplicar la m ecánica cuántica d irectam ente a todo el universo, sin existir una teoría cuánti- ca de la gravedad, se rem onta a Eddington y Schródinger a finales de los años treinta. En 1939, Schródinger llegó a la notable conclusión de que las partículas pod rían haber sido creadas en u n universo en expansión únicam ente com o resultado de la m ism a, pero su trabajo fue efectivam ente olvidado. En los años cincuenta, Bryce U eW itt en los Estados U nidos llevó a cabo un program a de investigación relacionado, apoyándose en algunas de las ideas de W heeler. La extravagante extrapolación de la m ecánica cuánti- ca al universo entero condujo a D eW itt en 1977 a una ecuación cuántica, una especie de ecuación cósm ica de Schródinger, que se hizo conocida com o la ecuación W heeler- D eW itt. Sin em bargo, no estaba claro cóm o in terp re tar la ecuación, cóm o encon trar la solución única correspondiente a un solo y único universo y, p o r supuesto, cóm o hacer algo útil con ظ ecuación en sí. A lexander Vilenkin, desarrollando una sugerencia an terio r realizada po r Edw ard Tyron, argum entó en 1982 que la existencia del uníver- so podría ser entendida com o un proceso de túnel de m ecánica cuántica a p a rtir de

Unificaciones مل especulaciones 413

una «nada» de fluctuaciones del vacío cuántico. El titu lo del articulo de Vilenkin, «La creación de los universos a p artir de ظ nada», debió de sorprender a m uchos lectores de Physical Letters. M uchos otros físicos re tom aron la idea de explicar ط creación del universo com o resultado de fluctuaciones del vacio: esto tam bién captó la im aginación de teólogos y filósofos; sin em bargo, la mayoría de los físicos consideraba esta fase¡- nan te idea salvajemente especulativa, y p o r supuesto lo era.

Im pertérritos ante la ausencia de u n a teoría cuántica de la gravedad aceptable, desde alrededor de 1980 los m odelos de gravitación cuántica han sido em pleados p o r varios físicos para explicar la creación del universo a p artir de u n «estado» de nada. U no de los más conocidos fue el propuesto p o r James H artle y Stephen Hawking en 1983. Tom ando com o su pun to de partida la ecuación de W heeler-D eW itt, los dos físicos desarrollaron una función ondu lato ria del universo, un concepto que encon traron legí- tim o, y afirm aron que representaba ط am plitud del universo creándose a p a rtir de unas partículas ligeras cuánticas finitas. De acuerdo con Hawking, no habría n ingún problem a relativo a la creación ya que en to rn o a f = o entre las fluctuaciones cuánticas, la m ism a noción de espacio y tiem po perdería su sentido, ?o r tan to , no habría singularidad y tam poco una frontera o borde de espacio-tiem po. Al ser autocontenido, el universo ni se crearía ni se destruiría. Según H awking en su best seller Breve historia del tiempo, esta visión tiene im plicaciones profirndas m ás allá de los reinos científicos:

C on el éxito de las teorías científicas para describ ir sucesos, la m ayoría de ظ gente ha

llegado a creer que ،ةه؛د pe rm ite que el universo evolucione de acuerdo con un con jun-

to de leyes, en las que él no in terv iene p ara infringirlas. Sin em bargo, [...] todavía de-

pendería de D ios dar cuerda al reloj y elegir la fo rm a de ponerlo en m archa. En tan to en

cuan to el universo tuv iera u n p rincip io , p od ríam os su p o n er que tuvo u n creador, ?ero

si el universo es realm ente au tocon ten ido , si no tiene n inguna frontera o borde [en el

tiem p o؛ no tendría ni p rincip io ni final: sim plem ente sería. ¿Qué lugar queda, entonces, para un creador? (H aw king 1988, p. 149)

lo que, quizá, sea un m odo apropiado de te rm inar esta sección.

Cuarta parte:una mirada atrás

C A P ÍTU LO 28

La física Nobel

La ú ltim a voluntad de Alfred Nobel, el industrial sueco que am asó una fo rtuna gracias a la invención y m anufactura de la d inam ita, fue la fundación de la institución Nobel al com pleto. En 1900, tras u n com plejo proceso legal, el testam ento tom ó la form a de los estatutos de la Fundación Nobel, y los prim eros galardones fueron concedidos el año siguiente. Alfred Nobel quería establecer prem ios anuales de física, quím ica, fisiología (o m edicina), literatura y lucha po r la paz, pero su testam ento era bastante vago, p or lo que se les dejó a sus ejecutores y a la posterior institución Nobel que fijara los detalles y creara una m aquinaria de organización. Según el testam ento del 27 de n o viem bre de 1895, el dinero «debería ser concedido anualm ente en galardones a aquellas personas que hayan contribu ido en m ayor m edida a beneficiar a la hum an idad d u rante el año inm ediatam ente precedente». La parte de la física galardonaría a «la persona que haya hecho el descubrim iento o invención m ás im portan te en el dom inio de la física». Además, el testam ento subrayaba que «no se dará n inguna consideración a cuál sea la nacionalidad de los candidatos, es decir, quien más se lo m erezca será galardonado con el prem io, sea o no de origen escandinavo» (Craw ford 1984, p. 221).

Los prem ios N obel se entregan oficialm ente en una cerem onia que tiene lugar cada año en Estocolm o el 10 de diciem bre, el día de la m uerte de Nobel. Antes de que esto ocurra, tiene lugar un elaborado proceso. La Academia Real Sueca de la Ciencia, una corporación, de científicos suecos, principalm ente, organizados en diferentes secciones, elige a cinco m iem bros de cada uno de los com ités científicos, incluyendo el com ité Nobel de Física. U na de las m em bresías está reservada para el presidente de la sección de física del Institu to Nobel. El poder real en el proceso de elección recae en estos m iem bros del com ité. El com ité perm anen te de la física recoge nom inaciones de un núm ero potencialm ente am plio de nom inadores, algunos perm anentes y algunos asignados ad hoc. Aquellos designados perm anentem ente para n om inar incluyen a todos los m iem bros del com ité y de la Academia, previos laureados Nobel y profesores de física de las antiguas universidades escandinavas e instituciones similares. Los nom ina-


dores ad hoc incluyen a profesores de universidades extranjeras seleccionadas y algunos científicos elegidos de m anera individual.

Algunos de los que nom inan hacen uso de su derecho a p roponer candidatos al co- m ité, que entonces considera todas las propuestas y prepara inform es detallados sobre algunos de ellos. El com ité delibera sobre cuál(es) candidato(s) recom ienda, pero no tiene n inguna obligación de seguir ط propuesta de la m ayoría de los nom inadores. De hecho, en la m ayoría de los casos anteriores a 1940, ios científicos más nom inados no habían sido recom endados p o r el com ité. ?٥٢ ejem plo, en Í910, Poincaré fue sugerido po r tre in ta y cuatro nom inadores y Planck por diez, pero el com ité decidió recom en- dar a Van der Waals, el cual sólo había sido propuesto por un nom inador.

A unque la decisión del com ité es la parte crucial del sistem a de nom inación , no ter- m in a aquí. La nom inación de u n com ité necesita ser confirm ada por la sección de ؛؛- sica de la Academia, y la p ropuesta se debate finalm ente po r el plenario de la Acade^ m ia, el cual tiene la últim a palabra. A unque la Academ ia casi siem pre seguirá la recom endación del com ité, no está obligada a ello. En 1908, p o r ejem plo, el com ité recom endó a Planck y la sección de física de la Academ ia refrendó la propuesta. Sin em - bargo, cuando la Academ ia se reunió en sesión plenaria, el candidato físico fue rechazado po r una significativa mayoría. Al final, se decidió entregar el galardón al físico francés Gabriel L ippm an p o r su invención de un m étodo para la fotografía a color. U na situación sim ilar ocurrió cuatro años m ás tarde, cuando una reun ión del pleno recha- zó a Kamerlingh O nnes, el candidato recom endado p o r el com ité de Física y la sección de Písica de la Academia. De todos m odos, K am erlingh O nnes tuvo que esperar sólo u n año m ás para recibir el prem io.

El resultado del proceso de nom inación puede m uy bien decidir que n inguno de los candidatos propuestos es m erecedor del prem io. En ese caso, el prem io se reserva para el año siguiente y * se entrega entonces. En ظ p rim era m itad del siglo, esto no fue tan infrecuente, ya que ocurrió en 1921, cuando el prem io se reservó para ل922 y entonces fue entregado a Einstein. Un prem io puede ser reservado sólo po r u n año. Su aun así, no se entregara, será «perm anentem ente reservado», o sea, anulado. Esto ha ocurrido cinco veces con el prem io de Física, en 1916, 1934, 1940, 1941 y 1942.

N ada m ás com enzar, el prem io Nobel fue u n éxito y se consolidó com o el más prestigioso de los prem ios científicos. U na razón para explicar el estatus del p rem io y la publicidad que lo rodeaba era la can tidad de dinero involucrado. En 1901, consistía en unos 40.000 dólares, una cantidad con u n poder de com pra de casi el doble de su valor actual y, en su época, correspondiente a tre in ta veces el salario anual de un profesor universitario. Adem ás de la con tinua im portancia del prem io, se añade el que la elección de un laureado con el N obel norm alm ente ha sido reconocida com o razonable p o r la com unidad física en general. Solam ente en unos pocos casos se ha considerado la elección com o «errónea» o «extraña», esto es, claram ente diferente de las visiones de la m ayoría de los físicos de elite. Asim ism o, los prem ios N obel de Ciencias han m anten ido su reputación com o galardones verdaderam ente internacionales, no influidos claram ente p o r factores políticos e ideológicos. En este sentido, hay una gran

La física Nobel 419

diferencia entre los prem ios de ciencias y los prem ios de la paz y de literatura. Por supuesto, la política en tra en la tom a de decisiones, pero el prem io está m otivado cientí- ficam ente, no políticam ente. Nada más com enzar la institución Nobel, se com prendió que el galardón era u n prem io, no sólo al científico individual sino tam bién a ظ nación a la cual pertenecía el científico. La com petición p o r el prem io era vista com o u n con- curso entre naciones, una visión que ha prevalecido desde entonces. En los periodos de tensión y guerras, los prem ios no podían evitar ser asociados con sentim ientos nació- nalistas, de m anera m uy sim ilar a las m edallas ganadas duran te los Juegos O lím picos. El com ité Nobel de Física, siem pre, p o r razones entendibles, ha tem ido galardonar con u n prem io a u n experim ento que se dem uestre equivocado o a una teoría que o bien no puede ser verificada o bien se dem uestre errónea en el año siguiente. Por ejemplo, en 1903, LeBon fue nom inado p o r sus rayos N, y en 190 B ق londlot p o r sus «rayos negros», en am bos casos con nom inaciones de un solo científico. Se puede im aginar con facilidad qué hubiera significado para la reputación del p rem io Nobel si hubiera galardonado a uno o a am bos científicos franceses.

Las am bigüedades de los estatutos de la Fundación Nobel, que reflejan las am bi- güedades del testam ento, crearon una opo rtu n id ad para la arb itrariedad en la Ínter- pretación de qué tipo de trabajo científico era m erecedor de un prem io. Por ejemplo, ¿cómo de en serio debería tom arse la condición de «reciente»? En los estatutos de ط Fundación N obel,ظ condición fue suavizada y especificada para significar «el año in- m ediatam ente precedente», para ser entendido en el sentido de «que una invención o un trabajo p o r el cual un prem io contem plado bajo los térm inos del testam ento pon- drá de aquí en adelante los más m odernos resultados de trabajo, trabajos o invenciones más antiguos sólo serán tenidos en cuenta en caso de que su im portancia no haya sido previam ente dem ostrada». A unque el criterio incluido en el testam ento ya fue suavizado con el p rim er galardón -e l descubrim iento de R óntgen tenía entonces cinco a ñ o s - en general, lo reciente era considerado im portan te duran te las prim eras décadas. Fue una razón fundam ental p o r la cual Boltzm ann y Kelvin no fueron considerados para el prem io. La institución Nobel estaba ansiosa de que el prem io no fuera concedido p o r un servicio largo y m erito rio en la física sino p o r u n trabajo específico de origen reciente. Esto perm aneció com o la política oficial pero en la práctica no siem pre se seguía. Ejem plos notables son Reines, cuyo descubrim iento del n eu trino fue an terior en tre in ta y nueve años a su prem io, y Kapitza, que tuvo que esperar unos cuarenta años antes de recibir su prem io; el prem io de C handrasekhar fue unos cuarenta y cinco años posterio r a su trabajo principal. El prem io m uy retrasado de Van Vleck es tam bién o tro ejemplo.

O tro problem a, y m ás serio, era qué se incluía den tro del concepto de la física. Los térm inos «invención» y «beneficio para la hum anidad» se tom aron se escogieron para significar que los avances en la física aplicada y la tecnología pod rían ser reconocidos en paralelo al trabajo de la física pura . La invención de M arconi de ط telegrafía sin hilos fue galardonada en 1909, y Gustav [)alén, u n ingeniero sueco, recibió el prem io en 1912 po r su invención de la ilum inación autom ática de los faros. Aunque el p rim er co


m ité de física m iraba con sim patía los inventos, esta sim patía no se extendió a las patentes. En 1901, se decidió com o regla que las invenciones patentadas no deberían ser consideradas para el prem io. N aturalm ente, esta política excluyó a la m ayoría de los inventores con m ás éxito, desde Edison a M aim an. Desde 1912 n ingún prem io ha sido entregado por u n trabajo puram ente tecnológico. Entre los nom inados sin éxito de las dos prim eras décadas, se pueden encon trar fam osos inventores com o E douard Branly (telegrafía sin cables), Valdem ar ?oulsen (generador de arco), Cari ٧٥٨ Linde (m áqui- ñas de refrigeración), Ferdinand von Zeppelin (dirigibles), O rville y W ilbur W r؛ght (avión), M ichael Pupin (bobinas ؛nductoras de carga) y Thom as Edison (bom billa eléctrica, fonógrafo y m uchos m ás). El requerim iento de «beneficio para la hum anidad» no fue un gran problem a: siguiendo u n a antigua trad ición en ظ ciencia acadé- m ica, los m iem bros del com ité p ron to resolvieron que el progreso fundam ental en la ciencia era, en sí m ism o y po r definición, u n beneficio de la hum anidad. En o tras palabras, las consideraciones utilitaristas no ten ían p o r qué en tra r en la tom a de decisiones. De este m odo, se prescindió de justificar por qué la explicación de Lorentz del efecto Zeem an o, m ás tarde, la teoría de Schwinger de la electrodinám ica cuántica, beneficiaban a la hum an idad de alguna m anera práctica.

La política de no conceder el estatus de prem io Nobel a ' tecnológicasno im plicaba que se im pidiera recibir el codiciado prem io a los científicos em pleados po r com pañías privadas. C om o hem os visto, desde los años veinte, los laboratorios afi- liados con industrias privadas han estado crecientem ente ’ en la cienciapu ra y han con tribu ido al progreso de la física tam bién en su nivel fundam ental. Ejem- píos tem pranos son el prem io de Q uím ica de Langtnuir de 1932 y de Davissin de ?؛sica en 1937 (véase capítulo 9). La tabla 28.1 enum era los laureados en Física que real؛- zaron su trabajo galardonado m ientras trabajaban en, o estaban ^ in c ip a lm e n te asociados a, laboratorios privados. El prem io de 986ا fue entregado po r el trabajo pió- ñero en óptica electrónica y po r el diseño del p rim er m icroscopio de electrones. El invento se rem ontaba a los prim eros años trein ta, cuando Max Knoll y E m st Ruska en la Universidad Técnica de Berlín construyeron un m icroscopio electrónico operativo. Una gran parte del trabajo posterior de Ruska fue realizado en u n laboratorio que Sie- m ens y Halske m o n taro n en 1937 y en el cual p rodu jeron el p rim er m icroscopio elec- trón ico com ercial en 1939. La m itad del p rem io de 1986 fue a H einrich R ohrer y Gerd Binnig p o r su diseño del m icroscopio de efecto túnel. R ohrer se un ió al Laboratorio de Investigación de IBM en Suiza en 1963 y Binnig le siguió en 1978.

O riginariam ente, el com ité definía la física de m anera am plia, más com o ciencias físicas que com o física pura. La astrofísica, m eteorología, geofísica y quím ica física estaban incluidas, pero no la astronom ía. En los años veinte hubo un cam bio de opinión, de todos m odos, resultando en u n a exclusión no oficial de la astrofísica y de las ciencias de la tierra. Si algún subcam po ¡nterd؛sc؛plin؛u o ciencia herm ana debiera ser aceptada com o física es desde luego un asunto político, m ás que de argum entos de principios. La práctica po r lo tan to ha cam biado a lo largo de los años. En los prim e- ros tiem pos, cuando la astrofísica estaba definida com o parte de la física, no se entre-


TABLA 28.1Prem ios N obel concedidos a físicos de laboratorios privados o asociados con ellos

A no Científicos Instituciones

1937 C. J. D avisson AT&T / Bell L aboratories

1956 J. Bardeen, W. B rattain , W. Shockley AT &T / Bell Laboratories

1977 P. W. A nderson AT&T / Bell Laboratories

1978 A. Penzias, R. W ilson AT&T / Bell Laboratories

1986 E. Ruska Siem ens & Halske

H. Rohrer, G. Binning L aboratorio de Investigación de IBM

1987 K. A. M üller, L. G. Bernorz L aboratorio de Investigación de IBM

gó ningún galardón en esta área. £l prem io tard ío de Bethe de 1967, galardonado por su teoría de 1938 de la producción de energía estelar, fue el p rim er prem io dado en as- trofísica. Coincidió con la rápida evolución de la astrofísica nuclear y relativista, que puso m uy cercanas a la astronom ía y la física y puede que hiciera cam biar la actitud de lo que constitu ía la física Nobel. En cualquier caso, entre 1974 y 1993 no m enos de siete prem ios frieron concedidos po r trabajos que deben clasificarse más cerca de la astronom ía que de la física. Tam bién es im portan te m encionar que al m enos un físico, M ax Delbrück, rcc؛bió el prem io Nobel de Riología. C on relación a la línea fronteriza entre la física y la quím ica, las m aterias eran bastante diferentes, entre o tras razones porque hay u n prem io p o r separado de quím ica pero no de astronom ía. C on una posible excepción, el prem io de 1926 de Jean Perrin, n ingún prem io Nobel de Física ha sido entregado por un trabajo en quím ica, incluyendo la quím ica física y la física quí- mica. Esto puede parecer bastante na tu ra l - lo s quím icos reciben prem ios de Q uím ica, los físicos de Física- pero la relación no es sim étrica. Sin en tra r en la discusión de las interrelaciones de la física y la quím ica a lo largo del tiem po, es de reseñar que u n gran núm ero de prem ios Nobel de Q uím ica han sido entregados a científicos que eran físi- eos o cuyo trabajo norm alm ente se consideraría com o perteneciente a la física. La m a- yoría de los trabajos prem iados en la lista 28.2 bien podrían ser caracterizados de igual m odo, o quizá incluso m ejor, com o física. La radiactividad, los isótopos, la estructura m olecular y el descubrim iento de los elem entos quím icos eran trad icionalm ente en- tendidos com o pertenecientes a la quím ica, lo cual explica algunos de los prem ios. El caso m ás conocido es el p rem io entregado a R utherford, que consideró su trabajo sobre la radiactividad com o estrictam ente físico y consideraba de poca m onta a la quí- mica. La naturaleza interdisciplinar de m uchos descubrim ientos en el cam po de la ra- d iac tiv idad y la qu ím ica nu c lear en ocasiones ha co n d u c id o a decisiones controvertidas. U na de ellas tiene que ver con el descubrim iento de la fisión nuclear, que fue investigada p o r el com ité quím ico ya en 1941. En 1945, el prem io de Q uím ica de 1944 fue entregado sólo a H ahn, m ientras que S trassm ann, ^ i t n e r y F r i s c h no fue-


TABLA 28.2Prem ios de Q uím ica concedidos a físicos o en áreas de investigación

de naturaleza física

Año Laureado Trabajo Nobel Contexto del laureado/a

1908 Ernest Rutherford desin tegración radiactiva física

1911 Marie Curie descubrim ien to de Ra y Po física

1920 Walther Nernst term odinám ica quím ica quím ica física

1921 Frederick Soddy radiactiv idad, isótopos quím ica física

1922 Francis Aston espectroscopia de masas física

1932 Irving Langmuir quím ica de superficies quím ica física

1934 Harold C. Urey deuterio quím ica nuclear

1935 Frederic Joliot radiactiv idad artificial física

Irene Joliot-Curie física

1936 Peter Debye estruc tu ra m olecular física

1944 Otto Hahn descubrim ien to de la fisión quím ica física

1949 William Giauque m étodos de bajas tem pera tu ras quím ica física

1951 Edwin McMillan elem entos transu rán icos física

Glenn Seaborg quím ica nuclear

1960 Willard Libby m étodo de datac ión C-14 quím ica nuclear

1968 Lars Onsager term odinám ica irreversible quím ica física

1971 Gerhard Herzberg estruc tu ra m olecular física

1977 Ilya Prigogine estructu ras disipativas quím ica física

ron considerados. M eitner y Frisch, que habían sido los prim eros en explicar correctam ente los experim entos de Berlín, fueron nom inados para u n prem io de Física, pero el inform e del com ité fue negativo. Se juzgó que la explicación de M eitner y Frisch era más b ien una suposición con suerte y que si debía ser galardonada la explicación teórica, sería más bien el no nom inado Bohr quien m erecería el prem io.

Los m iem bros individuales de los com ités científicos eran a veces m uy influyentes en la política científica Nobel y tuvieron éxito, po r ejem plo, en p rom ocionar a sus favoritos en ram as concretas de investigación física. En los años veinte el teórico Cari Oseen fue en gran m edida responsable po r el giro gradual hacia la física teórica que señaló una ru p tu ra con respecto al pasado experim ental. El quím ico físico Svante A rrhenius ejerció gran influencia en las prim eras decisiones Nobel tan to en quím ica com o en física. Usó su posición para destacar la teoría atóm ica y fue decisivo en los prem ios entregados a R utherford y a Planck. A rrhenius tam bién tuvo éxito cuando bloqueó d u rante un largo periodo el prem io de Q uím ica para N ernst, en este caso no tan to por razones científicas com o personales.

Un trabajo digno de un prem io N obel tenía que ser un «descubrim iento o invención», lo que en origen llegó a significar que el trabajo puram ente teórico no estaba


acreditad© para un prem io. D urante las dos prim eras décadas aproxim adam ente, el CO- m ité de física estaba dom inado po r los experim entales y tenía predilección p o r los experim entos de alta precisión. Esto reflejaba la tendencia e ^ r im e n ta l i s ta general en la física sueca de la época. De este m odo, entre 1890 y 920ل, setenta y siete suecos se doc- to raron en física en las universidades del país en Estocolm o, Lund y Uppsala. Sesenta y siete de las tesis presentadas eran sobre todo experim entales y sólo diez teóricas. El co- m ité de física no tenía ganas de considerar ظ física teórica de m odo serio si la teoría no había sido d irectam ente verificada p o r la experim entación. La física teórica y m atem á- tica a m enudo se consideraba com o «especulativa». El ideal de la ciencia fue expresado p o r u n físico sueco en un com entario de 1918 sobre la teoría de la relatividad de Einstein. Esta teoría, escribió, cultivaba la teoría p o r sí sola y atraía a los jóvenes. Pero «las personas mayores, que han conocido varias teorías a lo largo de su vida [...] están m ás inclinadas a estar satisfechas sólo con conocim iento fáctico, p o r ejemplo, con teo- rías experim entalm ente dem ostrables, y son escépticas con relación ،٦ las teorías que no pueden ser verificadas [...] Es u n gusto simple y poco cultivado el que se deja llevar po r tales teorías [abstractas]» (Eizinga 1995, p. 84). La m ayoría de los m iem bros del com í- té Nobel, independien tem ente de su edad, eran «personas mayores». Es bien sabido que Einstein no recibió su prem io Nobel p o r la teoría de la relatividad sino p o r su ex- plicación de 1905 del efecto fotoeléctrico, o m ejor dicho, el prem io fue entregado por la predicción de la ley fotoeléctrica correcta, no por la teoría fotónica sobre la cual estaba basada la teoría: para ser precisos, «por sus contribuciones a la física teórica, en especial p o r su descubrim iento de la ley del efecto fotoeléctrico», destacando la pala- b ra m ágica «descubrim iento». H asta 1922, Einstein había sido nom inado en no m enos de 62 ocasiones, y sólo una de las nom inaciones m encionaba específicam ente el efec- to fotoeléctrico. El físico sueco que escribió el inform e sobre la teoría de la relatividad de Einstein concluyó que su aceptación era una «cuestión de fe» y o tro m iem bro del com ité aseguró que «es altam ente im probable que N obel tuviera en cuenta especulaciones tales com o éstas para ser objeto de sus prem ios» (Friedm an 1981, p. 795). Des- de entonces, el com ité em pezó a juzgar el trabajo teórico bajo u n a óptica m ás favorable, especialm ente con la elección de O seen en 1923, pero ظ actitud general era todavía conservadora y no confiaba en la física teórica sin una conexión fuerte con el trabajo experim ental. C uando Heisenberg y Schr¿؛dinger fueron propuestos para el prem io de 1929, el com ité resolvió que la m ecánica cuántica «todavía no ha dado lugar a ningún descubrim iento nuevo de una naturaleza más fundam ental» y en su evaluación de 1933 de Dirac, Oseen concluyó que el joven teórico británico hasta entonces no había hecho n ingún «trabajo innovador realm ente grandioso» (Kragh 1990, p. 116). Así y todo, los tres pioneros cuánticos fueron finalm ente galardonados con el Nobel.

La tabla 28.3 agrupa los prem ios N obel de Física desde 1901 hasta 1998. C ontando a todos, 160 científicos han recibido el prem io de Física, b ien dividido o b ien sin dividir. De los 160 destinatarios del prem io, sólo dos (el 1,3 p o r 100) eran m ujeres, en concreto M arie C urie y M aría Goeppert-Nlayer. Teniendo en cuenta que am bas recibieron ط cuarta parte del prem io, el total final de m ujeres prem ios Nobel es de m edio. Asi


m ism o, sólo ha habido dos destinatarios del Tercer M undo, o tres si incluim os a C handrasekhar. N ingún físico africano o latinoam ericano ha recibido nunca el galardón. La m ayoría de ganadores del p rem io Nobel han sido europeos (54,4 por 100) o estadounidenses (41,9 po r 100) en la época en que desarrollaban su trabajo. M ientras que hasta 1940 los físicos de Alem ania e Inglaterra eran los más hom enajeados (recibiendo cada nación el 22 po r 100 de los p rem ios), hasta Í970 los físicos estadounidenses ha- b ían recogido más prem ios Nobel que los físicos alem anes y británicos juntos.

TABLA 28.3 Prem ios Nobel de Física

Año Nombre(s) País Objeto de estudio descubrimiento ؛،ء Año

1901 Wilhelm K. Róntgen Alemania Rayos X 1895 E

1902 Pieter Zeeman Países Bajos Efecto Zeeman 1896 E

Hendrik A. Lorentz Países Bajos — 1896 T

1903 Antoine H. Becquerel Francia Radiactividad 1896 E

Pierre Curie Francia — ~ 1898 E

Marie Curie Francia — - 1898 E

1904 Lord Rayleigh Inglaterra Argón 1895 E

1905 Philipp Lenard Alemania Rayos catódicos ~ 1902 E

1906 Joseph J. Thomson Inglaterra Electrón 1897 E

1907 Albert A. Michelson EEUU Interferometría de precisión

~ 1890 E

1908 Gabriel Lippmann Francia Fotografía a color - 1895 E

1909 Guglielmo Marconi Italia Telegrafía sin hilos ~ 1895 E

C. Ferdinand Braun Alemania - - 1897 E

1910 Johannes van der Waals Países Bajos Gases y líquidos 187^ T

1911 Wilhelm Wien Alemania Radiación de calor 1896 T

1912 Nils Gustav Dalén Suecia Reguladoresautomáticos

1907 E

1913 Heike Kamerlingh

OnnesPaíses Bajos Bajas

temperaturas~ 1908 E

1914 Max von Laue Alemania Difracción de rayos X 1912 E/T

1915 William H. Bragg

William L. Bragg

Inglaterra

Inglaterra

Estructura cristalina 1912 E

1917 Charles Barkla Inglaterra Rayos X secundarios

1905 E

1918 Max Planck Alemania Teoría cuántica 1900 T

1919 Johannes Stark Alemania Efecto Stark 1913 E

La física Ncbei 425

٠^٨ Nombre(s) País Objeto de estudio Año de descubrimiento

1920 Charles-EdouardGuillaume

Francia Aleaciones de níquel-acero

- 1895 E

1921 Albert Einstein Suiza Efecto fotoeléctrico 1905 T

1922 Niels Bohr Dinamarca Teoría atómica 1913 T

1923 Robert Millikan EEUU Carga del electrón y efecto fotoeléctrico

1911-1915 E

1924 Karl M. Siegbahn Suecia Espectroscopia de rayos X ~ 1922 E

1925 James Franck

Gustav Hertz

Alemania

Alemania

Colisiones electrón-átomo - 1915 E

1926 Jean Perrin Francia Equilibrio de sedimentación 1908 E

1927 Arthur H. Compton EEUU Efecto Compton 1923 E

Charles T. R. Wilson Inglaterra Cámara de niebla 1911 E

1928 Owen Richardson Inglaterra Fenómenos termiónicos ~ 1910 T

1929 Louis de Broglie Francia Naturaleza ondulatoria de los electrones

1923 T

1930 Chandrasekhara Raman India Efecto Raman 1928 E

1932 Werner Heisenberg Alemania Mecánica cuántica 1925 T

1933 Paul Dirac Inglaterra Mecánica cuántica 1925-1928 T

Erwin Schrodinger Austria Mecánica ondulatoria 1926 T

1935 James Chadwick Inglaterra Neutrón 1932 E

1936 Victor Hess Austria Radiación cósmica -1 9 1 1 E

Carl D. Anderson EEUU Positrón 1932 E

1937 Clinton J. Davisson EEUU Naturaleza ondulatoria de los electrones

1977 E

George P. Thomson Inglaterra - 1927 E

1938 Enrico Fermi Italia Reacciones nucleares de neutrones

1934 E

1939 Ernest Lawrence EEUU Ciclotrón 1932 E

1943 O tto Stern Alemania Método de haces moleculares

~ 1920 E

1944 Isidor Rabi EEUU Método de resonancia magnética

1930s E

1945 Wolfgang Pauli Austria Principio de exclusión 1925 T

1946 Percy Bridgman EEUU Física de altas presiones -1 9 3 0 E


Año Nombre(s) País Objeto de estudio Año de descubrimiento

ا947 Edward Appleton Inglaterra Capa de Appleton 1926 E

1948 Patrick M. S. Blackett Inglaterra Física de cámara de niebla ~ 1933 E

1949 Hideki Yukawa Japón Teoría del mesón 1935 T

1950 Cecil F. Powell Inglaterra Descubrimiento del mesón

■ 947 E

1951 John D. Cockcroft

Ernest Walton

Inglaterra

Inglaterra

Acelerador de alta tensión 1932 E

1952 Felix Bloch

Edward Purcell

EEUU

EEUU

Magnetismo nuclear ~ 1945 E/T

1953 Frits Zernike Países Bajos Método de fase-contraste

- 1932 E

1954 Max Born Alemania Mecánica cuántica 1926 T

Walther Bothe Alemania Método de coincidencia 1924 E

1955 Willis Lamb EEUU Efecto Lamb en hidrógeno

1947 E

Polykarp Kusch EEUU M omento magnético del electrón

1947 E

1956 John Bardeen

Walter Brattain

EEUU

EEUU

Efecto transistor ١^ E

William Shockley EEUU Transistor de unión 1949 E

1957 Chen Ning Yang

Tsung Dao Lee

EEUU

EEUU

No-conservación de paridad

1957 T

1958 Pavel Cherenkov URSS Efecto Cherenkov 1935 E

Ilya M. Frank URSS - 1937 T

Igor Tamm URSS - T

1959 Owen Chamberlain

Emilio Segre

EEUU

EEUU

Antiprotón 1955 E

1960 Donald Glaser EEUU Cámara de burbujas 1952 E

1961 Robert Hofstadter EEUU Esparcimiento de electrones en el núcleo

- 1955 E

Rudolf Mossbauer Alemania Efecto Móssbauer 1958 E



1962 Lev Landau URSS Teoría del helio líquido

~ 1941 T

1963 Eugene Wigner EEUU Principios de simetría ~ 1930 T

Maria Goeppert- Mayer

EEUU Estructura nuclear orbital 1948 T

J. Hans D. Jensen Alemania - 1948 T

1964 Charles Townes EEUU Electrónica cuántica (láser) 1954 E

Nikolai G. Basov URSS _ 1955 E

Alexander Prokhorov URSS - E

1965 Richard Feynman EEUU Electrodinámica cuántica 1949 T

Julian Schwinger EEUU _ 1948 T

Sin-Itiro Tomonaga Japón - 1943 T

1966 Alfred Kastler Francia Doble resonancia 1950 E

1967 Hans Bethe EEUU Producción de energía estelar

1938 T

1968 Luis Alvarez EEUU Partículas elementales ~ 1962 E

1969 Murray Gell-Mann EEUU Teoría de partículas elementales

1962-1964 T

1970 Hannes Alfvén Suecia M agnetohidro-dinámica ~ 1948 T

Louis E. F. Néel Francia Modelos de magnetismo 1932-1948 T

1971 Dennis Gabor Inglaterra Holografía 1948 E

1972 Leon Cooper

John Schrieffer

John Bardeen

EEUU

EEUU

EEUU

Teoría de la superconductividad

1957 T

1973 Leo Esaki Japón Túnel semiconductor 1957 E

Ivar Giaver EEUU - E

Brian Josephson Inglaterra Efecto Josephson 1962 T



1974 Antony Hewish Inglaterra Pulsares 1967 E

M artin Ryle Inglaterra Técnicas de radioastronomía

1954 E

ا97و Aage Bohr

Ben Mottelson

Dinamarca

EEUU

Modelo nuclear colectivo

1953

L. James Rainwater EEUU - 1950 T

1976 Burton Richter EEUU Partícula J/c}> 1974 E

Samuel Ting EEUU — E

1977 Hohn van Vleck EEUU Teorías de magnetismo 1930s T

Nevill Mott Inglaterra Teoría de metal ~ 1936 T

Philip Anderson EEUU Teoría del estado sólido ~ I960 T

1978 Peter Kapitza URSS Física de bajas temperaturas

- 1940 E

Arno Penzias

Robert Wilson

EEUU

EEUU

Radiación de fondo 3 K

1965 E

1979 Steven Weinberg EEUU Teoría electrodébil 1967 T

Abdus Salam Pakistán - 1967 T

Sheldon Glashow EEUU - 1961 T

1980 James Cronin

Val Fitch

EEUU

EEUU

No-conservación CP 1964 E

1981 Kai M. Siegbahn Suecia Espectroscopia de electrones

1950s E

Nicolas Bloembergen Países Bajos Espectroscopia láser 1956 E

Arthur Schawlow EEUU - - 1956 E

1982 Kenneth Wilson EEUU Fenómenos críticos 1970 T

1983 William Fowler EEUU Astrofísica nuclear ~ 1960 T

SubrahmanyanChandrasekhar

India Estructura de las estrellas 1934-1939 T

1984 Carlo Rubbia

Simon van der Meer

Italia

Países Bajos

Descubrimiento de W y de Z

1983 E

1985 Klaus von Klitzing Alemania Efecto Hall cuantizado 1980 E


Nombre(s) País Objeto de estudio Año de descubrimiento

Ernst Ruska Alemania Microscopio electrónico 1930s E

Heinrich Rohrer Suiza Microscopio de efecto 1978 Etúnel

Gerd Binnig Alemania -

Karl Alex Müller Suiza Alta superconductividad 1986 ET

J. Georg Bednorz Alemania -

León Lederman EEUU Neutrino muón 1962 E

Melvin Schwartz EEUU -

Jack Steinberger EEUU -

Norman Ramsey EEUU Relojes atómicos 1950s E

Hans Dehmelt Alemania Técnica de confinamiento 1973 Ede iones

Wolfgang Paul Alemania - 1950s E

Richard Taylor EEUU Dispersión elástica 1960sprofunda E

Henry Kendall EEUU -

Jerome Friedman EEUU -

Pierre-Gilles de Gennes Francia Cristales líquidos ل 974 E

Georges Charpak Francia Aparatos de detección 1970s E

Russell Hulse EEUU Descubrimiento del pul 1974 Esar binario

Joseph Taylor EEUU -

Bertram Brockhouse Canadá Espectroscopia de - 1960 Eneutrones

Clifford Shull EEUU -

M artin Perl EEUU Descubrimiento del 1974 Eleptón tau

Frederick Reines EEUU Descubrimiento del 1956 Eneutrino

David M. Lee EEUU Superfluidez en el He-3 1972 E

Robert Richardson EEUU _

Douglas Osheroff EEUU -

Año

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996


1980s

1982

Nombre(s) País Objeto de estudio

Steven Chu EEUU Enfriamiento láserde átomos

William Phillips EEUU -

Claude Cohen- Francia —

Tannoudhi

Robert Laughlin EEUU Cuasipartículaselectrónicas

Horst Stórmer Alemania -

Daniel Tsui EEUU -

Gerardus ’t Hooft Países Bajos Estructura cuánticaMartinus J. G. Veltman de las interacciones

electrodébilesZhores L Alferov Rusia Comunicaciones

Hervert Kroemer Alemania Semiconductores

Jack S. Kilby EEUU Circuito integrado

Eric A. Cornell EEUU CondensaciónBose-Einstein

Wolfang Ketterle Alemania

Carl E. Wieman EEUU

Raymond Davis Jr. EEUU Neutrinos cósmicos

Masatoshi Koshiba Japón

Riccardo Giacconi EEUU Rayos X cósmicos

Alexei A. Abrikosov EEUU y Rusia Superconductores ysuperfluidos

Vitaly L. Ginzburg Rusia

Anthony J. Leggett Reino Unido y

Frank Wilczek

EEUU

EEUU Libertad asintóticaen la interacción fuerte

David J. Gross

H. David Politzer

Roy J. Glauber EEUU T. cuántica decoherencia óptica

John L. Hall EEUU Espectroscopia láserde precisión

Theodor W. Hánsch Alemania

Año

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Nota: El año del premio se refiere al año en el cual ha sido impuesto, no el año en el cual el laureado recibió el premio. Las letras «E» y «T» indican si el trabajo era principalmente experimental o teórico. Las nacionalidades se refieren al periodo del trabajo premiado o, si éste ha ocupado un periodo extenso de tiempo, a la primera parte del periodo.

C A P ÍTU LO 29

Un siglo de física en retrospectiva

Crecimiento y progreso

El siglo xix a m enudo ha sido identificado com o la era de la ciencia, y sin duda fue d u rante este siglo cuando em ergió la ciencia m oderna com o algo más que una actividad intelectual para u n pequeño grupo de filósofos naturales; sólo duran te este siglo la ciencia se organizó en el ám bito nacional, y en m enor m edida internacionalm ente, y sólo entonces se com probó su valía para la sociedad en general. Sin em bargo, el siguiente siglo puede, con m ás justificación incluso, ser llam ado el siglo de la ciencia, porque fue duran te este periodo cuando la ciencia vino a d om inar no sólo la esfera in telectual sino tam bién gran parte de las esferas social, económ ica y m ilitar de la vida. La ciencia despegó en el siglo xix, estuvo plenam ente establecida y preparada para la acción en 1900 y entonces se em barcó en un curso de evolución rápida que no ha te n ido precedentes en la h istoria entera de la hum anidad . En p rim er lugar es un crecim iento cuantitativo el que ha caracterizado el avance de la ciencia en el ú ltim o siglo del segundo m ilenio. Por supuesto, la física no es la única ciencia que ha experim entado u n crecim iento destacable. En general, todas las ram as clásicas de la ciencia se han expandido a gran escala a lo largo del siglo, aunque con patrones bastante diferentes entre sí: p o r ejem plo, m ientras que la física estabilizó su crecim iento duran te las ú ltimas dos o tres décadas, ha habido un periodo de crecim iento sostenido en las ciencias biológicas y m edioam bientales.

A lrededor de 1900, com o vim os en el capítulo 2, la física era un negocio floreciente pero pequeño, con un núm ero total de físicos académ icos m enor de 1.500. La an tigua Sociedad Física A lem ana incluía a unos 350 m iem bros, y la m em bresía en la nueva Sociedad Física A m ericana era de m enos de u n centenar. El núm ero de publicaciones físicas, com o se inform a en las principales revistas de resúm enes de artículos, era de alrededor de 2.400. En los años noventa, el m undo de la física había crecido en tam año de m odo m uy sustancial. La m em bresía en los dos sociedades físicas se había incre


m entado a unos 25.000 (en A lem ania) y a 40.000 (en los Estados U nidos) y el núm ero de artículos de investigación resum idos en Physics Abstraéis se aproxim aba a los 200.000. La población m undial de físicos era más de 150.000. R edondeando, la m ano de obra y la producción de artículos se han increm entado po r un factor de cien en m enos de un siglo. Los gastos en investigación de física y de form ación sin duda se habrán increm entado p o r u n factor aun mayor.

Al crecim iento en la física, que despegó sobre todo después del final de la Prim era G uerra M undial, le siguió, al principio lentam ente, un m odo diferente de organización y de hacer la física. El cam bio ya fue visible a finales de los años veinte, pero el gran avance real fue sin duda la Segunda G uerra M undial y los grandes cam bios que la guerra y sus consecuencias causaron en la ciencia y que resultaron tan útiles para los ob jetivos m ilitares. U n resultado del cam bio generacional de la posguerra y el giro general hacia m odos instrum entalistas y pragm áticos de pensam iento fue que la filosofía perdió su lugar en la física. M uchos m iem bros de la generación más tem prana de físicos tenían un h o ndo interés en cuestiones filosóficas y a veces se insp iraron en filósofos en su trabajo innovador, o debatían com petentem ente las im plicaciones filosóficas de la nueva física. Para Planck, Bohr, Schródinger, Weyl, Heisenberg, Einstein, Edding- ton y m uchos otros de sus colegas, la filosofía era un aspecto im portan te de la física. Pocos de los líderes de la física de la posguerra se p reocuparon acerca de la filosofía o tenían un conocim iento más que superficial del cam po. En los años sesenta, con las m uertes de Bohr y Schródinger, la que antes fuera orgullosa y vital tradición de físicos- filósofos llegó a su final.

Después de 1945, la física com enzó su m archa a toda velocidad hacia la era de la gran ciencia, aunque debería tenerse en cuenta que la gran ciencia de tipo glam oroso encontrada en la física de altas energías experim ental no era ni es típica de la física en general. Incluso los físicos de la pequeña ciencia se vieron influidos p o r la tendencia, cuyo resultado más im portan te fue el salto del físico individual com o p roducto r de unidades de conocim iento a colectivos, equipos o colaboraciones. En cuanto a la bi- b liom etría, la tendencia se m anifestó a través de un cam bio desde los artículos de in vestigación con u n au to r individual a artículos de investigación con m últiples autores. La tendencia inevitable hacia la colectivización -inev itab le p o r el ritm o de crecim iento y la com plejidad de los instrum entos y tam bién p o r la creciente interdisciplinaridad de m uchos cam pos de la física- no significa que los días de las grandes individualidades hayan term inado. La verdadera creatividad aún subyace en el genio de científicos individuales, una aseveración que se ve apoyada por la h istoria de la física de la posguerra a un nivel no inferior que en la física más heroica de la preguerra, con su aparente abundancia de genios desde Planck y Einstein hasta B ohr y Yukawa.

A lo largo del siglo, la física ha seguido siendo una ciencia verdaderam ente in te rnacional, o quizá la palabra cosm opolita sea m ás adecuada, p o r ser u n hecho característico que m uchísim os físicos se hayan m udado sin esfuerzos de un país a otro, de una ciudad a o tra , de un laboratorio a o tro, con el p ropósito de trabajar bajo las m ejores condiciones posibles sin prestar m ucha atención a las ubicaciones nacionales. Q uizá

Un siglo de física en retrospectiva 433

nos gustaría pensar en la física de finales del siglo XX com o m ucho más cosm opolita de lo que era previam ente, pero de hecho los físicos jóvenes siem pre se han m ovido (más o m enos) con libertad de un país a o tro y han pensado que su ciencia es transnacional. Por o tro lado, caracterizar la física com o in ternacional en el aspecto social sería una exageración. A pesar de los grandes cam bios políticos que han ocurrido en la relación entre la parte rica del norte del m undo y el denom inado Tercer M undo, la física toda- vía está com pletam ente dom inada por Europa y N orteam érica. El hecho de que auti- guas colonias se hayan convertido en naciones independientes y que algunos de los países tercerm undistas (en especial en el este asiático y en Am érica del Sur) se hayan desplazado de países en desarrollo a países desarrollados apenas se refleja en la com - posición internacional de ط física: de los ochenta artículos presentados du ran te la conferencia m undia l de París en 1900, dos fueron entregados p o r físicos de lo que más tarde se llam arían países del Tercer M undo. Si se hubiera dado una conferencia corres- pondien te en 1995 (aun im pensable com o pueda serlo), el porcentaje no hubiera sido mayor.

Lo que se ha dicho del tem a del Tercer M undo se puede decir tam bién respecto del tem a de género. En 1900, la física estaba casi absolutam ente dom inada p o r hom bres, así com o lo estaban todas las ram as de la ciencia ١٢, po r supuesto, toda la vida pública y profesional. Noventa años más tarde, el núm ero de m ujeres físicas se ha increm entado m uy notablem ente y relativam ente m ás rápido que el núm ero de hom bres físicos, pero el increm ento no ha producido m ucha diferencia. En el ám bito m undial, la pro- porción de m ujeres es todavía m enor del 10 p o r 100, una cifra que se com para de m a- ñera desfavorable con las cifras correspondientes en las ciencias biológicas y químicas. Además, lasm ujeres raram ente han dado el paso hacia la elite de la física, y en investl· gación fronteriza son todavía m enos visibles que lo que se esperaría dada su propor- ción de puestos de enseñanza. M arie C urie se m antiene com o la m ujer física del siglo, y de hecho de todos los tiem pos.

Por lo general, la física a principios de siglo estaba dom inada p o r Aíemania, Ingla- té rra y Prancia (para m ás detalles, véase capítulo 2). A lem ania, al contrario que Fran- cia, siguió desem peñando un papel destacado hasta bien en trada la década de los treinta y los físicos británicos nunca cesaron de con tribu ir de m anera significativa a la física m undial. En los años trein ta, los Estados U nidos ya se habían convertido en la nueva potencia m undial en la física al igual que en otras ciencias y en especial en el desarro- lio tecnológico. A pesar del crecim iento de la com unidad soviética de física, duran te décadas después de la guerra, la física estadounidense disfru tó de u n a posición casi hegem ónica. Sin duda, uno de los cam bios m ás notables de la física del siglo XX, especialm ente si se com para con el siglo anterior, ha sido el auge de la dom inación de la fí- sica estadounidense. D uran te el ú ltim o cuarto de siglo, el dom inio se ha m ostrado m enos m arcado y Europa, en cierto m odo, ha vuelto a escena, pero Estados U nidos aún es incuestionablem ente la nación líder en física. Por o tro lado, la naturaleza transnacional o cosm opolita creciente de ظ física, causada en parte po r los avances en trans- portes y telecom unicaciones, ha hecho que de alguna m anera sea m enos relevante h a


blar de la física en térm inos nacionales. Los avances tecnológicos han tenido una gran influencia en la física. Recuérdese que solam ente había dos representantes estadounidenses en la conferencia de París de 1900 -e n aquella época los viajes transatlánticos eran lentos y caros-; y que los físicos estadounidenses tuvieron problem as para unirse a la revolución cuántica después de 1925 p o r el retraso en las com unicaciones desde Europa -llevó tiem po antes de que las publicaciones físicas alem anas llegaran a los Estados U nidos-. Las condiciones de hacer física y de estar pendiente de la frontera de in vestigación han cam biado en una era en la cual el tráfico aéreo, la telefonía m undial, el correo electrónico y el servicio de In ternet están a la orden del día.

En m uchas ocasiones se ha alegado que la ciencia y la dem ocracia van de la m ano, y que la ciencia solam ente puede florecer bajo condiciones políticas dem ocráticas, pero esta afirm ación no se ve apoyada po r la h istoria de la física del siglo xx, e incluso m enos p o r la h istoria de siglos anteriores. C ualquiera que sea la relación entre dem ocracia y desarrollo científico, si es que existe ésta, no es simple. Para estar seguros, la física decayó a p a rtir de 1933 pero difícilm ente fue debido a que la d ictadura nazi ahogó el espíritu libre de la dem ocracia que se supone tan necesario para el sano desarrollo de la ciencia. D ado el gran núm ero de físicos destacados que huyeron de A lem ania, la caída fue bastante m odesta y, com o apuntam os en el capítulo 16, la física italiana vivió sus años dorados duran te la d ictadura fascista. De nuevo, y a pesar de las purgas de los años tre in ta y de la terrib le pérd ida de personas y recursos duran te la guerra, la física en la U nión Soviética con tinuó estando a un nivel alto, tan to cualitativa com o cuan titativam ente du ran te la era Stalin y después.

La física en el siglo xx no sólo ha crecido en térm inos de m ano de obra, organización, aparatos, p roducción investigadora y apoyo económ ico, sino que tam bién ha progresado científicam ente, p roduciendo m ucho conocim iento nuevo sobre la n a tu raleza. No existe u n a relación autom ática entre el crecim iento cuantitativo y el p rogreso cualitativo en el conocim iento, y de hecho es difícil encon trar alguna correlación específica entre las dos en la física del siglo xx. Es notable que lo que la m ayoría apuntaría com o las m ás profundas y am plias innovaciones conceptuales del siglo, la relatividad y la m ecánica cuántica, em ergieron sin depender de un apoyo económ ico a gran escala ni de experim entos costosos. Esto no quiere decir que no haya n inguna correlación, ya que parece razonable asum ir que los experim entos interesantes serán más probables en una com unidad de físicos grande y con buenos m edios económ icos que en una com un idad pequeña y con pocos m edios.

El progreso en el conocim iento, a distinguir del crecim iento absoluto, llega de distin tos m odos. U n tipo de progreso, que podría llam arse el m odo extensivo de progreso, consiste en extender la base de conocim iento en áreas de la naturaleza ya abiertas a la investigación. Esto suele o cu rrir a través de m edidas m ás precisas o a través del desarrollo de instrum entos que hagan posible investigar áreas m ás am plias de determ inados cam pos. La espectroscopia, en el am plio sentido del térm ino, es un buen ejem plo del m odo extensivo de progreso y tam bién lo es la física del estado sólido. O rig inalm ente confinada a la física de metales, la física del estado sólido cubrió áreas


m ás y más am plias y se llegó a convertir en el cam po m oderno y m uy am plio de la fí- sica de m ateria condensada. El progreso extensivo a m enudo es ' porquese cree que m eram ente produce datos nuevos y conocim iento instrum ental, sin em - bargo en realidad tam bién es س agente poderoso para el cam bio cualitativo. Esto se ve ilustrado en m uchos casos m encionados en este libro, tales com o las cuidadosas m edidas de la radiación de cuerpos negros a finales de la década de los noventa del siglo XIX y la extensión de la observación telescópica en los años cincuenta para incluir las ondas de radio.

O tros tipos de progreso consisten en abrir nuevas ventanas a través de las cuales los secretos de la naturaleza puedan ser estudiados, esto es, el descubrim iento de fenóm e- nos cualitativam ente nuevos. La física m oderna ha tenido gran éxito a este respecto, sobre todo quizás antes de 1940. Lo que se conoce generalm ente com o física m oderna debe su propia existencia a tales descubrim ientos, de los cuales los rayos X y l a radiactividad fueron los más tem pranos e im portan tes. Por fin, hay u n tercer tipo de progreso, esencialm ente teórico: la in troducción de nuevas estructuras y principios que reor- ganizan y dan nuevo sentido a conocim iento ya obtenido. Tales principios hacen más que traer únicam ente orden a lo que inicialm ente parecían cuerpos desunidos de CO- nocim iento. Tam bién son potentes en su sentido heurístico y, a través del siglo, han sido m uy valorados po r los físicos teóricos.

El progreso, sea cual sea el significado del té rm ino , ha sido u n elem ento de la físi- ca del siglo XX tan visible com o su crecim iento. A unque el progreso en el conocí- m iento no ha sido un ifo rm e y ha variado de un cam po a o tro, ha sucedido de m anera con tinua, casi siem pre de m odo acum ulativo, en u n frente m uy am plio y a m enudo de fo rm a espectacular. En la década de 1990, los físicos sabían bastan te más sobre cóm o ftm ciona la naturaleza que en la década de 1890. ?٠٢ destacar ún icam ente un área, todo el conocim iento sobre las estructuras atóm icas y subatóm icas y las fuerzas que m antienen las partículas básicas jun tas fue cosechado a lo largo del siglo XX. Con an terio ridad a la década de 1890, prácticam ente no se sabía nada sobre la constitución m icroscópica de la m ateria, y casi todo de lo poco que se sabía, o se creía saber, era gracias a los quím icos m ás que a los físicos. Merece la pena m encionar el tem a del progreso, no po rque los físicos tengan n inguna d uda sobre el tem a, sino po rque se ha convertido en una m oda en algunos am bientes de la sociología y de la filosofía cuestio n a r la realidad del progreso científico. Hay especialistas que niegan seriam ente que se pueda hablar de m odo significativo de progreso en la ciencia. La respuesta simple a tal desatino sería echar un vistazo al avance de algúna área de la física m oderna, com o p o r ejem plo la conductiv idad eléctrica en los cuerpos m etálicos o los procesos energéticos estelares, y com parar el estado del conocim iento en los años noventa con el de u n siglo antes. A lgunos sociólogos del conocim iento científico alegan haber m ostrado que los «científicos en el frente de investigación no pueden resolver sus desacuerdos a través de una experim entación m ejor, m ás conocim iento, m ás teorías avanzadas o pensam iento m ás claro» (Collins y ? in ch 1992, p. 144). Q uizá no haga falta señalar que a dicha ex traña alegación le falta apoyo en la h istoria de la física del


sig lo XX ya que los desaeuerdos rutinariam ente han sido solventados exactam ente de esta m anera.

La física y las otras c ie n c ia s

D urante la p rim era m itad del siglo XX, la física em ergió com o la ciencia núm ero uno en cuando a glamour, un puesto que probablem ente aún conserva a pesar de los problem as que ha tenido que encarar más recientem ente. £1 público llegó a ver a los grandes físicos com o m agos con algún tipo de enlace directo con Dios o con la naturaleza. £1 más fam oso de los grandes pensadores que fascinó m ás al público fue por supuesto £ instein, pero ha sido seguido po r otros físicos fam osos, com o Bohr, Feynm an, G ell-M ann y Hawking. Los grandes y visionarios teóricos representan una faceta de la fascinación de la física, el o tro lado y más oscuro era el poder de la física que quedaba más dram áticam ente sim bolizado con las nubes de hongos causadas por las explosiones nucleares. Los físicos parecían cubrir todo el espectro, desde la p rofunda filosofía cuántica hasta los aparatos tecnológicos com o el radar y el láser. C on respecto a la fas- cinación del público, n inguna o tra ciencia pudo com petir con la física. Un libro re- cíente em prende la categorización de los cien científicos m ás influyentes del m undo en la historia, incluyendo los psicólogos y los científicos sociales (Sim m ons ]997). Aun- que no se debiera tom ar el ranking com o dem asiado serio -¿cóm o puede uno com parar significativam ente a A rquím edes con (}ppenheim er?- es interesante observar cóm o de alto ha situado el au to r a los físicos. Los tres prim eros en la lista (N ew ton, Einstein y Bohr) son todos físicos y, entre los veinticinco científicos «más influyentes», doce son físicos, ocho de ellos pertenecientes al siglo XX.

La posición de dom inio de ط física entre las ciencias en los tres prim eros cuartos de siglo se puede ilustrar po r el im pacto que la física ejerció en o tras de las ciencias clási- cas tales com o la astronom ía, la quím ica, la geología y la biología. £1 im pacto sucedió sobre todo a través de tres canales, siendo el más directo de ellos la m igración de físi- eos a o tras disciplinas científicas. £٨ m uchos casos, los jóvenes físicos m igraron con éxito o realizaron u n trabajo im portan te en una de las o tras ciencias. £s d igno de aten- ción que haya habido m uy pocos casos de tráfico inverso, © tro canal de im pacto ha sido la adopción de canales físicos de pensam iento en ciencias que tradicionalm ente eran ajenas e incluso hostiles a tales actitudes del trabajo científico. No m enos ؛utpor- tan te fue la influencia en las ciencias no físicas de los instrum entos y técnicas dadas por la física experim ental. En el caso de la quím ica, en m uchos m odos la disciplina her- m ana a la física, esto no era un hecho nuevo. £s bien sabido, que en tiem pos de Lavoi- sier, era una parte im portan te de la quím ica física que em ergió a finales de la década de 1880, pero en el siglo XX ط quim ica llegó a depender incluso más cercanam ente de nuevos m étodos experim entales originados en la física, com o los rayos X, la ،^fracción de los electrones, la espectroscopia RM N y la espectrom etría de masas. A un nivel más fundam ental, la quím ica incluso estaba am enazada con convertirse en una ram a de la física, en concreto en el sentido de que algunos físicos atóm icos y cuánticos (incluyen


do a Born y D irac) alegaban que la quím ica no era m ás que teoría cuántica aplicada. C inco años antes de la llegada de la m ecánica cuántica, Born escribió que «no hem os penetrado lejos en el vasto territo rio de la quím ica» pero «hem os viajado suficientem ente lejos com o para vernos en la distancia los pasos que deben ser atravesados an tes de que la física pueda im poner sus leyes sobre la de su ciencia herm ana» (Nye 1993, p. 229). Con la em ergencia a finales de los años veinte de la quím ica cuántica -u n a teo ría prim ero desarrollada po r físicos m ás que p o r qu ím icos- el deseo im perialista de Born (y pesadilla de m uchos quím icos) parecía convertirse en realidad. Sin em bargo, p ron to se com prendió que ni siquiera las simples m oléculas pod rían ser reducidas a física cuántica sin la en trada em pírica de los datos de los quím icos. Lo que es lo m ism o, la quím ica teórica estaba pro fundam ente afectada po r la m ecánica cuántica (y por o tras ram as de la física) y el cam po hasta cierto pu n to puede ser considerado com o «física aplicada». Previam ente hem os lidiado con el desarrollo de la astrofísica y los cam bios fundam entales en las ciencias astronóm icas que siguieron al to rm entoso desarrollo de la física (capítulos 12 y 23).

En el caso de la geología, el im pacto era m enos directo, pero no obstante condujo a una reorientación drástica de esta ciencia, desde su posición tradicional com o h istoria natu ral a una nueva «ciencia de la tierra» que fue m odelada sobre los estándares de la física e hizo uso de instrum entos y razonam ientos característicos de la física. Parte de las ciencias geológicas, tales com o la geofísica y la sismología, ya estaban «fisicaliza- das» a principios de siglo, especialm ente bajo la influencia del físico alem án Emil Wie- chert. Con la revolución de las placas tectónicas de los años sesenta, la transform ación inspirada p o r la física fue com pleta.

Una historia un tan to sim ilar puede contarse sobre el im pacto de la física en la b io logía, donde la llegada de la biología m olecular en los años tre in ta m arcó una in tru sión posterior del pensam iento físico y reduccionista en las ciencias naturales. Esto no es sorprendente, ya que varias de las personas más influyentes de la biología m olecular habían recibido form ación en física, incluidos M ax D elbrück y W alter Elsasser, contando am bos con valiosas contribuciones a la física antes de que abandonaran el cam po para dedicarse a la biología (y, en el caso de Elsasser, las ciencias de la tierra). Fran- cis Crick, con fam a de doble hélice, se graduó en física en 1938 y se convirtió a la biología sólo después del final de la guerra, en parte por la inspiración del libro de Schródinger ¿Qué es la vida? La dilucidación de la estructu ra del ADN en 1953, am pliam ente percibida com o el descubrim iento más im portan te de la biología m oderna, era en gran parte el resultado del análisis de los patrones de difracción realizados por M aurice W ilkins, o tro físico convertido en biólogo. La tendencia general de la biología en este siglo, y de la biología m olecular en particular, ha estado m uy influida p o r la física y un pensam iento reduccionista ha sido trasladado desde esta ciencia. En 1966, Crick escribió: «el fin ú ltim o del m ovim iento m oderno de la biología es de hecho explicar toda la biología en térm inos de física y quím ica y existe una m uy buena razón para ello: desde la revolución de la física a m ediados de los años veinte, hem os tenido una cim entación teórica sólida para la quím ica y las partes relevantes de la física [...] y


es la com prensión de que nuestro con©c؛>n؛ento al nivel atóm ico es seguro lo que nos condujo al gran influjo de los físicos y quím icos hacia la biología» (©lby 1994, p. 425). En total, no sería exagerado decir que el cam ino y dirección globales de las ciencias en el siglo XX han estado fuertem ente influidos por el desarrollo de la física.

Uno de los resultados más im portantes de la ciencia de este siglo es lo que parece ser la validez ilim itada de las leyes básicas de ظ física. En la década de 1890, todavía era m a- teria de debate si la segunda ley de la term odinám ica era de aplicación para las células vi- vas y, más en general, si las leyes de ظ física eran aplicables en cualquier lugar de la naturaleza y en cualquier tiem po. Todavía no es obvio que las leyes tengan este rango am plio de validez, pero m uchos años de investigación parecen confirm ar que éste es de hecho el caso. Las leyes son válidas no solam ente para los organism os vivos, sino que tam bién son válidas para los lugares más distantes del universo, los centros de las estrellas y para el estado s u ^ c o m p a c to del universo m uy tem prano de hace unos diez mil millones de años. Todos los intentos de dar leyes separadas para estratos separados del m undo han fracasado. Los físicos de final del siglo XX pueden alegar con algo de confianza (no confundir con certeza) que conocen las leyes fundam entales y que éstas son válidas para toda la naturaleza. Esto no significa que toda la naturaleza haya sido explicada por los físicos, ni que las otras ciencias hayan sido reducidas a la física, ?ero sí significa que no hay fenó- m enos en la naturaleza cuya explicación requiera principios o ieyes que estén en contra- dicción con aquellas aceptadas por los físicos (puede que aparezcan tales fenóm enos, pero de m om ento no lo han hecho y no tenem os razones para asum ir que lo hagan). En- tonces, sin sugerir ningún tipo de reduccionism o simplista, hay un sentido en el cual puede decirse que es la más fundam ental y ظ más general de todas las ciencias. Este pun- to de vista «imperialista» no es nada nuevo, pero sólo es en este siglo cuando ha sido sus- tantivizado y se ha convertido en más que un dogm a de fe y de autocomplacencia.

Evoluciones conservadoras

Com o se ha m encionado antes, el papel desem peñado po r la física en áreas exteriores a la física ha cam biado com pletam ente duran te el siglo XX y convirtió la ciencia en u n a parte in tegrada en la sociedad posindustrial. Este hecho y los efectos que ha tenido en la organización y ejecución de ظ física es quizá el m ayor cam bio que ha ocurrido; cuando m iram os hacia o tros aspectos, está bastante claro que la descripción general ha sido tan to de con tinu idad com o de discontinuidad, tan to de 'com o de cam bios revolucionarios. A escala ontológica, los cam bios han sido sin duda m uy profundos, en la m ayor parte com o resultado de la revolución cuántica -d e acuerdo con ?h ilip A nderson, «una dislocación que tiene que ser m entalm ente sanada incluso entre m uchos físicos» (A nderson 995ل, p. 2 0 8 (ل - . La m ecánica cuántica nos ha proporcionado estructuras fundam entales que no tienen sim ilitud n inguna con todo lo que puede ser percibido o m edido directam ente. N uestras creencias actuales sobre lo que, en últim a instancia, constituye el m undo distan m ucho de las de la década de 1890, cuando todavía tenía sentido pensar en la m ateria com o una colección de b lo


ques en m iniatura. El vacío ha resultado ser cualquier cosa m enos la «nadería» y está lleno de vida, de actividad y de propiedades. Éste es un resultado m uy im portan te de la nueva física, pero en sí m ism o no hubiera im pactado a u n físico de 1900, que estaba acostum brado a pensar en el vacío com o lleno de éter.

En algunos otros tem as, la física y los físicos no han cam biado m ucho a lo largo del siglo. De esta m anera, las reglas fundam entales de este juego - la m etodología de la in vestigación- son prácticam ente tan iguales en la década de 1990 com o lo que en la de 1890. C óm o evaluar u n a aseveración, qué cuenta com o u n buen experim ento, proced im ientos de prueba, la función de la m atem ática en el razonam iento físico y el uso de experim entos bien razonados; estos y otros tem as m etodológicos básicam ente se han m anten ido igual, aunque desde los años setenta los experim entos com puterizados se han visto añadidos a los m étodos de la física m oderna. Si los jóvenes R utherford o Som m erfeld hubieran sido catapultados a nuestro m undo, hubieran tenido m uchos problem as, pero no insuperables, en en tender m uchas cosas sobre las teorías y experim entos de la física, y fácilm ente hubieran valorados los m étodos de la física m oderna, tan cercanos a aquellos usados en su propia época. El m ism o tipo de con tinu idad se da con los sueños y aspiraciones últim os de los físicos. Las ideas de unificación, belleza m atem ática y los princip ios generales com o cim ientos de la física no son productos finiseculares de la física del siglo xx. A unque Planck o M ié no hubieran entendido ni las m atem áticas ni la física de las teorías GTU, hubieran apreciado plenam ente la idea general y el p ropósito de esta clase de teorías m odernas.

N o quiero aseverar que no ha habido cam bios en los m étodos de la física, sino que los m étodos e ideas am pliam ente diferentes de aquellos conocidos en el siglo xix han sido relativam ente sin im portancia. C om o apuntam os en el capítulo 27, ciertos cam pos de la física de altas energías (com o la teoría de las supercuerdas y la cosmología inflacionaria) están tan alejados de los experim entos que no pueden ser probados em píricam ente. La consistencia m atem ática y los argum entos estéticos po r tanto tienden a convertirse en los m étodos de dem ostración de la «verdad» de estas teorías. Ésta es una aberración de la m etodología com únm ente aceptada de la ciencia, potencialm ente peligrosa en este aspecto. A pesar de todo, no se debería sobredram atizar la situación ya que, po r una parte, ésta es una tendencia solam ente de un ám bito m inúsculo de la física teórica y no afecta al 99 po r 100 de la física en la cual la teoría y la experim entación tienen u n sano contacto entre ellas. Además, realm ente no es u n problem a nuevo. La teoría de vórtices de éter del siglo xix, las teorías de cam po unificadas de principios del siglo xx, la teoría fúndam ental de Eddington de los años tre in ta y la m ayoría de las teorías posbélicas de la gravedad cuántica hicieron uso de estos estándar que no se basaban en la experim entación. M uchos años antes de los teóricos de las supercuerdas, había físicos que argum entaban por puro racionalism o. Por ejemplo, en una fam osa declaración de 1933, Einstein sugirió que «la naturaleza es la com prensión de las ideas m atemáticas más simples concebibles [...] [y] podem os descubrir, a través de construcciones puram ente m atem áticas, aquellos conceptos y aquellos contactos lícitos entre ellos que facilitan la clave para entender los fenóm enos naturales» (H olton 1988, p. 252).


٨؛$ com o los m étodos de hacer física en esencial han perm anecido inalterables, tam poco han cam biado los ideales de lo و سا la física debería ser y de cóm o deben com - portarse los físicos. La ciencia tiene sus norm as culturales sin codificar - lo que el so- ciólogo R obert M erton llam ó en Í942 el ethos científico o con jun to de im perativos institucionales-. Por ejemplo, los científicos generalm ente se adhieren a la idea de «universalismo» (que la evaluación de las aseveraciones científicas debería ser im personal y objetiva), piensan que debería evitarse el s،؛eretism o (una parte del «com una- lismo») y aceptar el «escepticismo organizado» com o la actitud adecuada ante las nuevas afirm aciones de nuevo conocim iento. Éstas y o tras reglas ocasionalm ente se infringen, pero no po r ello dejan de ser aceptadas com o reglas. Las norm as que contribuyeron al final del asunto de los rayos N en 1903 eran en su m ayoría las m ism as que en traron en escena cuando ظ fusión fría fue anunciada en 1989.

Los grandes cam bios ocurridos en la física del siglo XX se han basado en el conoci- m iento existente y en un sano respeto p o r las tradiciones. Ha habido varios intentos de basar la física en una cosm ovisión enteram ente nueva (tales com o aquellos propuestos po r E ddington y M ilne en los años tre in ta), pero todos han fracasad(). Puede parecer extraño que el respeto po r la tradición pueda p roducir cam bios revolucionarios, pero esto es justo lo que describió Thom as Kuhn en 1962 bajo la etiqueta de «ciencia ñor- mal». Por o tro lado, los cam bios que a veces le siguen a la ciencia regida po r el paradigm a o «norm al» no son revoluciones en el sentido con tundente de la palabra que su- girió Kuhn en 1962, o sea, nuevos paradigm as incom patibles y to ta lm ente diferentes de los antiguos. No ha ocurrido tal revolución en la física del siglo XX. Después de todo, un físico teórico de los años noventa no tendrá problem as en en tender el espíritu y detalles del trabajo de Planck de 1900 en el cual se in trodu jo la d iscontinu idad cuántica, tam poco u n experim entador m oderno dejará de apreciar el clásico artículo de ١.ر . T hom son de 1897 en el cual se anunció el electrón. No hay n inguna brecha insupera- ble de com unicación, n inguna inconm ensurabilidad p rofunda entre la física de los años noventa y la de u n siglo antes.

La lección a extraer del ú ltim o siglo de física es que el conocim iento físico se ha ex- pand ido m ucho y ha producido nuevas y m uy m ejoradas teorías, pero que éstas se han producido en su m ayoría de m anera acum ulativa y sin una ru p tu ra total con el pasado. Siempre ha sido im portan te el ser capaces de reproducir los éxitos de las teorías antiguas, y este sensato requisito garantiza una cierta continu idad en el progreso teórico. Los grandes descubrim ientos y teorías de nuestro siglo desde luego no han dejado in- tacto al conocim iento más tem prano , pero tam poco lo han convertido ' dam ente en no conocim iento. La mayoría de los hechos experim entales continúan siendo hechos incluso a la luz de las nuevas teorías. La observación de que el exceso de perihelio de M ercurio es de 0,43” po r año fue explicada, no derrocada, por la teoría de Einstein de la relatividad y cualquier teoría fu tu ra de la gravitación tendrá que acó- m odarse a la realidad observada.

La m ayor parte de la física parece estar firm em ente estabilizada. Cada vez resulta m ás difícil im aginar que estas partes, tan com probadas a conciencia y tan dependien


tes de una red m ayor de teorías y experim entos pueda cam biar drásticam ente en el futuro. D urante varias décadas se ha considerado herético, incluso ridículo, sugerir que la ciencia se desarrolla «ideológicam ente», esto es, hacia un cierto estado de conocim iento que refleja la verdadera estructura de la naturaleza. Es correcto, com o apuntó el filósofo Nicholas Rescher, que «el progreso científico [sign ifican te es en general una m ateria que no consiste en añadir más hechos -co m o al rellenar un crucig ram a- sino en cam biar la form ulación en sí.» (Rescher 1978, p. 48). La relatividad, la m ecánica cuántica y la teoría electrodébil son ejem plos de tales form ulaciones cam biadas que al principio ni se apoyaban ni sugerían nuevos hechos experim entales. Pero no sólo la visión m inusvalora el aspecto de «añadir más hechos», sino que tam bién deja abierta la cuestión de la existencia o no del m ejor m arco teórico posible que dejará a una teoría en u n estado estable o «term inado». Podem os sonreír p o r la ingenuidad de los físicos finiseculares que creyeron que la física básicam ente había llegado a su estado final, pero su fracaso no im plica que no exista dicho estado final. Ya que m uchas teorías físicas propuestas du ran te la h istoria se han probado com o erróneas, no se deduce de esto que aquellas aceptadas hoy estén equivocadas tam bién y que sean reem plazadas po r teorías enteram ente nuevas.

Se podría especular que la h istoria pod ría repetirse a sí m ism a y que los físicos del m añana podrían encon trar fenóm enos bastan te nuevos en la naturaleza que dem an dasen una reform ulación considerable de la física teórica - u n a especie de analogía a los sorprendentes descubrim ientos de 1895-1897-, ¿Es plausible tal escenario? Parece que aunque no se pueda descartar dicha posibilidad, todavía parece m enos posible que los físicos se hayan olvidado de algún aspecto de la naturaleza grande e im p o rtante. El m oderno ejército de físicos y su arsenal de in strum en tos sofisticados de alta precisión hacen que sea m ucho m ás difícil que dichos fenóm enos perm anezcan escondidos, com o en el caso de la radiactiv idad hace u n siglo. H an pasado m uchas décadas desde que u n nuevo descubrim iento contrad ijera d irectam ente una teoría fu n dam ental. En 1986 fue anunciado el descubrim iento de una «quinta fuerza», una fuerza de rango in term edio que no podía ser explicada en la teoría establecida. Si se hubiera aceptado la aseveración, podría haber conducido a un gran cam bio conceptual en la física teórica, pero eso no fue lo que ocurrió . Después de unos años de experim entos y de in tenso debate, se com probó que la qu in ta fuerza no era una am enaza a la física estándar que operaba con cuatro fuerzas de la naturaleza: la qu in ta fuerza no existe.

La física sin duda continuará evolucionando y produciendo m uchos descubrim ientos interesantes en el nuevo siglo. Pero es posible que el pa trón de progreso en la física cam bie y que m uchos de los aspectos más fundam entales se m antengan tal com o se conocen ahora. Siempre habrá trabajo em ocionante p o r hacer y descubrim ientos po r venir, pero está lejos de ser cierto que el avance de la física en el siglo xxi será tan expansivo com o lo ha sido en el siglo xx. Feynm an, tal com o lo citam os en el capítulo 26, creía que «la era en la que vivim os es en la que estam os descubriendo las leyes fu n dam entales de la naturaleza, y ese día no volverá nunca más». Sea la profecía de Feyn-


m an correcta o no, sólo se pod rá saber a través de los avances del siglo xxi. Q uizá un h istoriador que escriba la h istoria de la física del siglo xxi citará a Feynm an para dem ostrar su sabiduría, o quizá le citará para dem ostrar que estaba com pletam ente equivocado.

Apéndice Lecturas recomendada$

Capítulo لEl capítulo se basa en parte en Kragh 1996a. Los estudios de la física del siglo XIX

incluyen a H arm an ا982 y P urrington 1997. Véase tam bién Brush 1978, en especial para los contextos más am plios. Jungnickel y M cC orm m ach 1986 está recom endado para el periodo entero hasta 1925 y es especialm ente inform ativo sobre la física alemana. Visiones generales útiles de la física finisecular pueden encontrarse en H iebert 1979 y H eilbron 1982. La cuestión de la p len itud de la ciencia se debate en Badash 972ا y los problem as de la descripción del m undo m ecánico en Klein 1973. Sobre las especulaciones de los espacios ^ a t r؛d؛m ens؛onales y no euclídeos, véanse Bork 1964 y Beich- ler 1988. Los aspectos científicos y cuasicientíficos del concepto de éter son debatidos en Kragh 1989a y C antor y H odge 1981. Sobre la energética de © stâld , véanse Hie- bert 1971 y H akfoort 1992. Las ideas de LeBon y el clim a espiritual en el cam bio de siglo son analizados en Nye 1974.

Capítulo 2

Los datos estadísticos sobre la física en to rn o a 1900 son presen tados y debatidos en Form an, H eilbron y W eart 1975. Véanse tam bién Hirosige y N isio 1986 en subdisciplinas de física y Pyenson y Skopp 197^ para un análisis detallado de la educa- ción en física en A lem ania. Kevles 1976 com para las com unidades física, qu ím ica y m atem ática en los Estados U nidos. Los datos de la descripción de Nagaoka de la fí- sica europea en 1910 están basados en Badash 1967 y Carazza y Kragh 1991. Los fí- sicos italianos en tre 1900 y 1904 se analizan cuantita tivam ente en G aldabini y C iu- liani 1988. Jungnickel y M cC orm m ach 1986 tiene m ucha info rm ación sobre teóricos físicos alem anes. Sobre la física en A m érica, véanse Kevles 1987 y Reingold y Rein- gold 1981.


Capítulo 3

La historia de los rayos X,ظ radiactividad, el clcctrón y otros aspectos de la física atómi- ca, nuclear y de partículas se describe en Pais 1986. Un informe muy legible pero poco detallado se encuentra en Segr¿' 1980. ،؟ obre ظ ruta para descubrir la radiactividad de Becque- reí, véase M artins 1997 y para los intentos tem pranos de explicación del origen de ظ radiactividad, Kragh 1997a. £1 descubrimiento del electrón se trata en Falconer 1987, Feffcr 1989, Dahl 1997 y Davis y Falconer 1997, de los cuales el último trabajo incluye reediciones de muchos artículos de Thomson. Arabatzis 1997 resume las historias de descubrimientos complejos. Los pseudodescubrimientos de la luz negra y de los rayos N se examinan en Nye 1974 y 1980. Sobre rayos magnéticos, véase Carazza y Kragh 1990, y sobre el descubrinúcn- to de la radiación cósmica, Xu y Brown 1987 y De María, Iannielio y Russo 1991.

Capítulo 4

C onn y Turner 1965 incluye extractos o reproducciones com pletas de m uchos de los artículos im portan tes sobre teoría atóm ica entre ا89ق y 1914. Los aspectos del m o- délo atóm ico de T hom son son tra tados en Sinclair 1987 y Kragh 1997a y 1997b. £l m o- délo de N icholson se analiza en M cC orm m ach 1996 y el nacim iento del á tom o nuclear de R utherford en H eilbron 1968. Sobre la teoría atóm ica de Bohr, véanse H eilbron y Kuhn 1969, H eilbron 1981 y tam bién French y Kennedy 1985. Los artículos de Bohr de 1913 y el m em orando de M anchester se reproducen en Bohr 1963 con una in troduc- ción de Léon Rosenfeld.

Capítii<n 5

M ucho se ha escrito sobre el tem prano desarrollo de la teoría cuántica. £1 trabajo más com pleto probablem ente es el volum en 1 de M ehra y Rechenberg 1982. Kangro 976 ل incluye inform ación plena sobre los prim eros experimentos y Kuhn 1978 es un análisis detallado del desarrollo teórico desde Boltzm ann hasta Planck. Sin embargo, debería mencionarse que la interpretación de Kuhn es controvertida y no aceptada en general.

Para la com pleja cuestión de la relación entre los m étodos de Boltzm ann y Planck, véase tam bién D arrigol 1988a. O tros libros recom endables de la h istoria de la teoría cuántica incluyen H erm ann 1971, H und 1974, Jam m er 1966 y D arrigol 1992. U na his- to ria concisa es presentada en Klein 1970. Los congresos de Solvay son exam inados en M ehra 1975 y el congreso de 1911 es analizado en Barkan 1993.

Capítulo 6

M endelssohn 1977 es una h istoria sem ipopular del desarrollo de ظ física de bajas tem peraturas. £1 objeto de estudio es tra tado de una form a m ás escolar en D ahl 1992, el cual ofrece una historia com pleta de ظ superconductividad, desde finales del siglo XIX

hasta principios de la década de 1990. Véase tam bién Dahl 1984 para el descubrim ien

Apéndice 445

to de la superconductividad. O tros aspectos del desarrollo de la criogenización se des- criben en Scurlock 1992. Las teorías de la conductividad eléctrica desde 1898 hasta los años veinte son el tem a de Kaiser 1987. La historia de la u p e rco n d u c tiv id ad y la superfluidez tam bién se analizan en detalle en Gavroglu y G oudaroulis 1989, donde el énfasis es en aspectos m ás generales y m etodológicos. U n análisis de u n físico de Lei- den sobre el descubrim iento de la superconductiv idad y del laboratorio de K am erlingh O nnes se puede encon trar en C asim ir 1983.

Capítulo 7

Existe una rica literatura sobre la teoría especial de la relatividad y sus precursores que incluyen H olton 1988, G oldberg 1984 y D arrigol 1996. Sobre las teorías preeins- teinianas, véanse Hirosige 1976, Ner$ess؛an 1986 y D arrigol 1994. La teoría de 1905 de Einstein se analiza con gran detalle en M iller 1981. La m ejor de las m uchas biografías de Einstein es Pais 1982. Algunos de los desarrollos tem pranos son analizados en Gold- berg 1976 y Galison 1979. Sobre la historia tem prana de la relatividad general, véanse M ehra 1974 y los análisis detallados de N orton 1985 y Earm an y G lym our 1978. Las tres pruebas clásicas de la relatividad general son analizados, por ejemplo, en Rose¥eare 1982 (el avance del perihelio), Earm an y G lym our 1980a (curvatura de la luz) y Ear- m an y G lym our 1980b (corrim iento ^ v i ta c io n a l hacia el rojo). H entschel 1992 es un análisis útil de la actitud de Einstein hacia los experim entos y Hentschel 1990 provee de un análisis detallado de las reacciones científicas y no científicas a la teoría de la relatividad. Sobre la recepción de la relatividad en diferentes países, véase tam bién Glick 1987-

Capítulo 8

La cosm ovisión electrom agnética se tra ta en M cC orm m ach 1970 y Jam m er 1961 incluye detalles condensados del concepto electrom agnético de masa. M iller 1986, una colección de ensayos, lidia con la electrodinám ica sin la relatividad, incluyendo un aná- lisis detallado de la teoría de 1906 del electrón de Poincaré. U n debate sobre el electrón rígido de A braham se encuentra en G oldberg 1970. Para los experim entos de variación de masa, véanse M iller 1981, Cushing 1981 y Batim ell1981 ؛. El papel de la m asa e؛ec- trom agnética en la tem prana física atóm ica y nuclear se debate en Siegel 1978 y Kragh 1985 contiene inform ación sobre los experim entos de variación de m asa de los años veinte. La m ejor fíjente sobre la teoría de M ié y de o tras teorías unificadas del p rim er tercio del siglo es Vizgin 1994.

Capítulo 9

A therton 1984 es una descripción general de la h istoria de la tecnología eléctrica. Sobre la carga de bobinas y la telefonía de larga distancia, véase W asserm an 1985 y,


para el m étodo de carga continua, Kragh 4 ا9و . La investigación tem prana de AT&T está cubierta en H oddeson 1981a y Fagen 1975, y Russo 1981 cuenta la interesante his- to ria sobre el descubrim iento de Davisson y G erm er de la difracción del electrón. Para detalles sobre el desarrollo de las válvulas de vacío, véase Tyne 1977. Sobre la invest؛- gación de Langm uir y de G eneral Flectric, véase Reich 1983 y 1985. Los aspectos sobre la física de la Prim era G uerra M undial se tra tan en H artcup 1988, Schróder-G udchus 1978, Kevles 1987 y Cardwell 1975.

Capítulo 0ل

Sobre las políticas y subvenciones científicas en la República de W eimar, véanse Schróder-G udehus 1978 y Form an 1974. Sobre las políticas científicas internacionales en los años veinte, véase tam bién Cock 1983. H eilbron 1986 y Cassidy 1992 detallan descripciones interesantes de la ciencia alem ana en el periodo visto desde las vidas de Planck y Heisenberg respectivam ente. Los detalles sobre la física y las políticas cientí- ficas en la joven U nión Soviética se pueden encon trar en Josephson 1991. La ideología de los físicos alem anes es analizada en Form an 1973 y Form an 1971 arguye que el cli- m a intelectual de la república de W eim ar influyó decisivam ente en el pensam iento de los físicos con relación a los fenóm enos cuánticos. La controvertida tesis de Form an es criticada en H endry 1980 y en Kraft y Kroes 1984.

Capítulo ٧£ n tre los m uchos libros que lidian con la h istoria de la teoría cuántica en los años

diez y veinte están los libros de Jam m er 1966, H endry 1984a, M acK innon 1982, D arrigol 1992 y M ehra y Rechenberg 1982 y 1987. Para los aspectos de la teoría de Schró- dinger, véase Kragh 1982b así com o las contribuciones de Bitbol y D arrigol 1992. Tam- bién de m erecida consulta son las biografías de Pais 1991 (sobre B ohr), Cassidy 992؛ (sobre Heisenberg), D resden 1987 (sobre K ram ers), M oore 1989 (sobre Schródinger) y Kragh 1990 (sobre D irac). La teoría de De Broglie es analizada en D arrigol 1993 y la historia experim ental del dualism o onda-partícu la se detalla en W heaton 1983. El origen de la ecuación de Dirac se describe en Kragh 1981a y 1990 y en M oyer 1981. Sobre la recepción y transm isión de ط m ecánica cuántica, véase el volum en 4 de M ehra y Re- chenberg 1982, Sopka 1988, H eilbron 1985, C artw right 1987 y Kojevnikov y Novik 1989. De en tre estas firentes, H eilbron 1985 y C artw right 1987 lidian con la falta de in- terés de los estadounidenses en los aspectos filosóficos. Las ftrentes de artículos clási- eos traducidos al inglés incluyen ter H aar 1967, Van der W aerden 1967 y Ludwig 1968.

Capítulo 12

Las fuentes sobre física nuclear se reproducen en Beyer 1949 y Brink 1965. Sobre los prim eros m odelos nucleares, véase sobre todo Stuewer 1983 y 1986a. Una revisión concisa se presenta en Badash 1983. Stuewer 1979 es un volum en de actas de conferencias de

Apéndice 447

Ja historia de Ja física nuclear en los años treinta. Para una descripción detallada de Ja controversia de Cambridge-Viena, véase Stuewer 1985a. Sobre el m odelo de protón-elec- tró n y sus problem as, así com o otros aspectos de la física nuclear, véanse p o r ejemplo Pais 1986, Brown y Rechenberg 1996, Bromberg 1971 y W einer 1972. La prim era historia del neu trino se cubre en Brown 1972 y la idea del m undo reticular de Heisenberg en Caraz- za y Kragh 1995. Sobre el descubrim iento del deuterón, véanse Stuewer 1986c y Brick- wedde 1982. M i descripción de la tem prana astrofísica nuclear está tom ada de Kragh 1996b. U n análisis más detallado de la fase más tem prana puede ser encontrado en Huf- bauer 1981. Los prim eros ciclotrones están descritos con gran detalle en Heilbron y Sei- del 1989 e inform ación sobre las m áquinas de alta tensión de Cavendish puede encontrarse en H endry 1984b. U na perspectiva interesante sobre la im plicación de Bohr en la física nuclear se da en Aaserud 1990.

Capítulo 3لLa sección sobre D irac y el positrón se basa en Kragh 1990. Sobre este tem a, véanse

tam bién H anson 1963, Moyer 1981, Kragh 1989, de M aria y Russo 1985 y Roqué 1997a. £n tre los trabajos que tra tan de m anera extensa Ja p rim era física de partículas, Brown y H oddeson 1983 es m uy inform ativo, sobre todo en Jo relativo a la teoría, tam bién lo son Pais 1986 y Brown y Rechenberg 1996. Rueger 1992 nos da un buen detalle de los problem as de la electrom ecánica cuántica de los años treinta. Los intentos de resolver los problem as introduciendo una longitud m enor se analizan en Kragh 1995. La física de rayos cósmicos en Ja época, el descubrim iento del m uón y la relación entre teoría y ex- ^ r im e n ta c ió n se analizan en de M aria y Russo 1989, Galison 1983,1987 y 1997, y Cas- sidy 1981. Sobre el descubrim iento de los m esones y la p rim era teoría de los mesones, véanse Brown 1981, D arrigol 1988a, Brown y H oddeson 1983, y Brown y Rechenberg1996. Reediciones de varios de los artículos m ás im portantes de la época se encuentran en Cahn y G oldhaber 1989 y sobre investigación sobre rayos cósmicos en Hillas 1972.

Capítulo 14

La literatura sobre Ja filosofía cuántica es vasta, pero casi toda eUa no histórica. En- tre los trabajos históricos que lidian con la situación en los años veinte y tre in ta están H endry 1984a, M acK innon 1982 y Jam m er 1996. W hitaker 1996 es una buena descrip- ción seiiñhistórica y en su mayoría no técnica. Jam m er 1994 es aún la m ejor descripción histórica-filosófica. Sobre d istintos aspectos de la h istoria de la com plem entariedad, véanse Beller 1992, H eilbron 1985 y H olton 1988. La p rueba de la im posibilidad de Von N eum ann está revisada de m anera crítica en Pinch 1977 y C aruana 1995. Cushing 1995 es u n exam en histórico-filosófico detallado de las in terpretaciones de la m ecánica cuántica con u n énfasis en concreto sobre la posición de Bohm. w h eele r y Zurek 1983 incluye reproducciones de Ja m ayoría de Jas fuentes im portan tes del periodo entre 1926 y 1980.


Capítulo 5ل

La tendencia cosmofísica de los años tre in ta está analizada en Kragh 982 اa, en la cual está basada parte del capítulo. Sobre las teorías de Eddington, véanse Kílmíster 1994 y, p o r su filosofía de la ciencia, Yolton 1960. La inspiración de Schródinger de Ed- d ing ton está docum entada en Rueger 1988. El sistem a de M ilne es tra tado en H arder 1974 y U rani y Gale 1993 y las visiones cosm ológicas de D irac en Kragh 1990. Las relaciones num éricas entre constantes naturales están descritas en Barrow 1981 y Barrow y T ip le r l9 8 6 .

Capítulo 16

Beyerchen 1977 fue la p rim era y todavía es una de las m ejores descripciones deta- liadas de fisicos en el Tercer Rc'ich. Véase tam bién Walker 1995, que se centra en el proyecto de energía nuclear alem ana. Entre las antologías, Kenneberg y W alker 1994 y M ehrtens y Kichter 1980 son valiosas colecciones de análisis de ciencia y tecnología ale- m ana entre 1933 y 1945. U na excelente colección de fuentes prim arias anotadas, traducidas al inglés, se puede encon trar en H entschel 1996. Las condiciones de los fisicos en la Alem ania nazi tam bién están cubiertas en m uchas biografías, com o la de Heil- b ro n 1986 (Planck), Cassidy 1992 (Heisenberg) y Sime 1996 (M eitner). El im pacto del régim en nazi en la investigación física en Alem ania está exam inado cuantitativam ente en Pischer 1988. G raham 1972 incluye capítulos sobre la física y la cosm ología en la U nión Soviética en la era de Stalin. losephson 1991 da un análisis detallado de la físi- ca soviética en la época, cubriendo contextos tan to ideológicos com o institucionales. Sobre esta m ateria, véanse tam bién G orelik 1995, Vucinich 1980 y Kojevnikov 1991. Sobre la física italiana en la era de M ussolini, véase H olton 1978.

Capítulo 17

Sobre la física estadounidense en los años treinta, véanse W einer 1970 y Kevles 1987. W einer 1969 lidia con los tísicos refugiados en los Estados Unidos y W eart 1979a es una descripción cuantitativa detallada de la física am ericana sobre todo del periodo de entreguerras. Entre los m ejores estudios de la m igración de físicos en los años tre in ta es- tán H olton 1983, H och 1983 y Kider 1984.Véase tam bién Fermi 1971, escrito p o r la viu- da de uno de los más famosos em igrantes físicos. Stuewer 1984 exam ina el caso de ظ física nuclear desde una perspectiva de la emigración.

Capítulo 18

El descubrim iento de la fisión está tra tado en m uchos lugares, com o G raetzer y An- derson 1971, W eart 1983 y Krafí't 1983. U n estudio detallado de la reacción de 1939 a la noticia del descubrim iento de la fisión se da en Badash, H odes y T iddens 1986. G raetzer y A nderson 1971 incluyen reediciones traducidas de varios de los artículos

Apéndice 449

clave desde 1934 a 1945, al igual que hace w©hlfar{h 1979 (en inglés y alem án). Las recopilaciones personales de dos de los físicos centralm ente involucrados se dan en Frisch y ^ e e l e r 1967. Sobre la transm isión y prim eros trabajos en la fisión, véanse Stuewer 1985b y W eart 1976. Stuewer 1994 provee de detalles sobre el contexto físico nuclear de los años treinta. £ ١ trabajo francés sobre energía nuclear está descrito p o r com pleto en W eart 1979b y el trabajo británico en G o^'ing 1964. U na historia com - pleta y m uy legible del cam ino que condujo a las explosiones atóm icas de 1945 se da en Rhodes 1986. Los detalles de los proyectos nucleares alem anes y rusos, sólo m encionados con brevedad en el texto, pueden ser encontrados en Fowers 1993, Walker 1995 (am bos sobre Alem ania) y Holloway 1994 y Rhodes 1995 (sobre Rusia). Para más inform ación sobre el in ten to japonés de desarrollar una bom ba atóm ica, véase Wilcox 1985.

Capítulo 19

No existe una buena h istoria de ط física nuclear de la posguerra, pero unos cuantos picos de su desarrollo pueden seguirse a través de los discursos de los Nobel y del estudio de Brink 1995. Véase tam bién L eeyW irínga 1990 sobre el m odelo de arm azón SH £fL nuclear. M ladjenovic 1998 es una descripción com pleta y útil. Para los prim e- ros descubrim ientos de los elem entos transuránicos, se puede consultar Weeks 1968, que es todavía el trabajo m odelo sobre el descubrim iento de los elem entos quím icos. Sobre la h istoria de la energía nuclear en una perspectiva global, véase G oldschm idt 1982. Las arm as nucleares y las políticas nucleares en el periodo de posguerra son los objetos de estudio de num erosos libros y artículos. Badash 1995 es una buena in tro- ducción. Una descripción m ás detallada se encuentra en Hewlett 1989, p o r ejem plo, y una buena colección de firentes sobre las políticas nucleares desde 1939 a 1990 se ln- cluye en Cantelon, Hewlett y W illiams 1991. Sobre el desarrollo de la bom ba de hidró- geno, véase Rhodes 1995. La h istoria de la firsión controlada se relata en H endry 1987 (prehistoria), H endry y Lawson 1993 (proyecto británico), Post 1995 (sobre todo aspectos científicos) y Brom berg 1982 (proyecto estadounidense).

Capítulo 20

£xiste un vasto catálogo de literatura sobre aspectos políticos y m ilitares de la físi- ca de la posguerrra (y de la ciencia en general), en su m ayoría concentrada en la escena estadounidense en los dos decenios posteriores a 1945. Form an 1987 es un gran ejemplo. Se encuentran m ás análisis generales en D ickson 1984 y Greenberg 1967. So- bre la física de gran ciencia, véanse Galison y Hevl)' 1992 yW einberg 1967. Schweber 1989 es un ensayo interesante sobre los contextos políticos e ideológicos de la física de partículas de los años cincuenta, y H oddeson ءء al. 1997 Incluye aspectos de gran cien- cía de altas energías en los años sesenta y setenta. Sobre aceleradores y gran ciencia en lapón, sólo m encionado de form a breve en el texto, véase H oddeson 1983. La historia


del CERN está detallada en H erm ann ٤’؛ al. 1987-1990 y Krige 1996. U na com paración bibliom étrica interesante entre los aceleradores am ericanos y europeos sobre 1960- 1985 se encuentra en Irvine et al. 1986 y, con m ayor detalle, en Irvine y M artin 1985.

Capítulo 21

La literatura secundaria sobre física de partículas es com pleta. Pais 1986 es útil, sobre todo en la teoría. D oncel et 1987 .اه se centra en principios de sim etría y Cahn y G oldhaber 1989 relata una descripción condensad¿ apoyada p o r reediciones de noventa y ocho artículos experim entales notables. Brown, D resden y H oddeson 1989, H oddeson et al. 1997, y Foster y Fowler 1988 son recopilaciones mu}' inform ativas. N ew m an e Ypsilantis 1996 es una enorm e colección de artículos históricos sobre físi- ca de altas energías m oderna y se dirige sobre todo a los físicos. D iferentes aspectos de la física de interacciones débiles se tra tan en Cline y Reidasch 1984 y Franklin 1986. Análisis bibliom étricos com pletos de la física de interacciones débiles entre 1950 y 1975 se incluyen en W hite, Sullivan y B arboni 1979 y Koester, Sullivan y W h ite 1982. Sobre aspectos experim entales de la h isto ria de los quarks, véanse, por ejem plo, Picke- ring 1981 y el más popu lar R iordan 1987. Los detalles sobre detectores y m uchos otros aspectos de «la cu ltura m aterial» de la física de altas energías se dan en Galison 1997. Para o tra literatura, más especializada, véase Hovis y Kragh 1991.

Capítulo 22

U n tratam iento histórico, completo y detallado, de la QED hasta aproxim adam ente 1952 se encuentra en Schweber 1994a. O tros aspectos de ظ física de renorm alización se analizan en Brown 1993. Véanse tam bién las descripciones históricas de QED en Wein- berg 1987 y 1989. Una selección de los artículos más im portantes de QEDentre 1927 y 1953 está reproducida en Schwinger 1958. El desarrollo del program a de ma- triz s y temas relacionados desde sobre 1943 a 1985 se analizan de m anera experta en Cu- shing 1990 y con m enos exigencia en Freundlich 1980. Cao 1997 es una historia ،;oncep- tual sintética, trazando el desarrollo de las teorías de cam po hasta aproxim adam ente 1990. El descubrim iento de las corrientes neutras son analizadas en Galison 1987 y, desde un punto de vista distinto, por Pickering 1984b. Pickering 1984a y Pais 1986 son relatos valiosos de la física de partículas en los años sesenta y setenta y Cahn y G oldhaber 1989 incluye reediciones de la mayoría de los artículos pioneros experimentales. H oddeson et al. 1997 es una gran fuente con respecto a ظ física de partículas entre 1965 y 1980. Sobre el

· · · ■ en 1983 de los bosones de vector interm edios, véase por ejemplo la po-pular descripción en W atkins 1986. Más Bibliografía en Hovis y Kragh 1991.

Capítulo 23

Partes del capítulo se apoyan en Kragh 1996b, el cual da una descripción com pleta de la cosm ología entre 1930 y 1967. Sobre los aspectos del desarrollo de la cosm ología

Apéndice 451

m oderna, véanse tam bién B ertotti et 1990 .اه y L ightm an y Brawer 1990. H ethering ton 1993 es una recopilación ا؛آال de artículos sobre ؛٤١ h istoria y la filosofía de la cosniolo- gía y Bernstein y Feinberg 1986 incluye una selección de artículos clásicos. H arw lt 1981 lidia con los descubrim ientos astrofísicos de un m odo original y fascinante. £1 destino de la relatividad general entre 1925 y 1955 se debate en £isenstaedt 1989. Sobre los desarrollos de la posguerra de la relatividad general, véanse T horne 1994, Will 1993 y las contribuciones de H awking e Israel 1987. La controversia sobre al a tribución de Weber de haber detectado las ondas gravitacionales se exam ina en Collins 1992.

Capítulo 24

La m ejor y m ás com pleta historia de la física de estado sólido es H oddeson et al. 1992, un proyecto conjunto que cubre el desarrollo de la disciplina desde sus raíces del siglo XIX hasta aproxim adam ente 1960. He usado en concreto las contribuciones de H oddeson, Baym y £ckert 1992, Braun 1992 y W eart 1992. Tam bién valioso es £ckert y Schubert 1990, que enfatiza los aspectos de ciencia aplicada y Braun y M acD onald1978 que lidia sobre todo con la electrónica de sem iconductores. Para una descripción detallada de la invención del transistor, véanse H oddeson 1981b y R iordan y H oddeson 1987. Sobre la investigación de la superconductividad posterior a 1930, véanse D ahl 1996, G avroglu y G oudaroulis 1989 y Bardeen 1973. £1 descubrim iento y prim e- ros desarrollos de la conductividad en Tc alta se cubren en H azen 1988.

Capítuln 25

La evolución de la m icroelectrónica se cubre, p o r ejem plo, en £ckert y Schubert 1990, B raun y M acD onald 1978 y R iordan y H oddeson 1997. Sobre el tem prano desarrollo de las tecnologías de m icroondas, véanse Form an 1992 y 1995. La historia del lá- ser se describe en Brom berg 1991 y B ertolotti 1983. Sobre la fibra óptica, véanse Faltas 1988 y Bray 1995. La historia de los Bell Telephone Laboratories, Smits 1985, es una ftrente de interés general sobre m uchos aspectos de la tecnología de com unicaciones. Sobre la investigación de los laboratorios Bell, véase tam bién Bernstein 1984.

Capítulo 26

Los datos sobre la física estadounidense alrededor de 1965-1985 son debatidos en B rinkm an 1986. Sobre la crisis de la física estadounidense, véanse Kevles 1987 y Schwe- ber 1994b y 1995. La ola m ás general de contracu ltura, incluyendo versiones de la anticiencia y de las ciencias alternativas, es analizada en Easlea 1973, N ow otny y Rose1979 y B urnham 1987. £1 debate m oderno sobre el fin de la ciencia es el objeto de aná- lisis de H organ 1996 y hay contribuciones en F.lvee 1992. Para una perspectiva filosó- fica, véase Rescher 1978.


Capítulo 27

N o existe u n buen trabajo histórico sobre las teorías de cam po unificada y de particulas de la posguerra. Para la fase más tem prana, véase Vizgin 1994. La historia de teorías de gravedad cuántica está revisada en brevedad en A shtekar 1991. Las grandes teorías unificadas hasta los prim eros años ochenta están descritas en Pickering 1984a y, a escala popular, en Trefil 1983. U na recopilación de las fuentes prim arias de teorías unificadas m odernas puede encontrarse en Zee 1982 y, enfocándose en las aspectos as- trofísicos y cosmológicos, en Schram m 1996. Sobre las teorías de supercuerdas, véanse □avies y Brown 1988, Galison 1995 y Schwarz 1996.

Capítulo 28

Las m otivaciones de los N obel y sus discursos, ju n to con ensayos biográficos, están publicados en una serie de setenta volúm enes hasta el m om ento , véase [Nobel] 1967-1997. £1 origen y p rim eros desarrollos de la institución N obel están descritos en Craw- ford 1984 y una com pleta lista de nom inadores y nom inados desde 1901 hasta 1937 está incluida en Craw ford, H eilbron y u llrich 1987. Para el análisis de los procesos de los prem ios Nobel de Física, véase Friedm ann 1981 y 1989. Crawford, Sime y W alker 1997 es uno de los pocos trabajos sobre la física Nobel de la posguerra (en este caso, u n «no prem io» m ás que u n prem io).

Bib№grafía

A breviaturas usadas para las pub :ones periódicas؛cac؛؛

AH ES Archivefor the History o fE xact SciencesAJP American fournal ofphysicsA S Annals ofScienceB W Berichte zur WissenschaftsgeschichteHS Historia ScientariumHSPS Historical Studies ٠« the Physical Sciences (desde 1988: Historical

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