Reto: #FísicaCuántica Trending Topic

La primera vez que supe de la Física Cuántica fue a través de mi padre. Recuerdo la total incredulidad que experimenté cuando me explicó las consecuencias del experimento de la doble rendija y del efecto túnel. Era pequeña y creía que se estaba burlando de mí. Lo que contaba no podía ser cierto de ninguna de las maneras. Simplemente, no tenía sentido que las partículas supiesen que había un detector escondido después de las rendijas o que una partícula de una masa muy pequeña pudiese cruzar una pared. Estaba segura de que había algo que se les escapaba a los físicos y que podía justificar de una forma “lógica” todo aquello.

Una vez fui mayor y estudié cuántica en la facultad, me fascinó, era misteriosa y apasionante. Resultaba que la física no sólo servía para entender los fenómenos del universo sino que mostraba que el comportamiento del mismo era mucho más complejo, divertido e interesante de lo que podía apreciar cómo ser insignificante dentro del cosmos. En resumen y dicho de forma técnica y precisa: la física cuántica molaba.

Por ello, cuando el otro día Enrique F. Borja de Cuéntos Cuánticos y Alberto Sicilia de Principio Marsupia propusieron que la #FísicaCuántica fuese Trending Topic  el 28 de mayo, pensé que sería fantástico. Es cierto que muchas veces acontecimientos o personas notables son TT, pero también lo acostumbran a ser programas infames o individuos que han dicho o han hecho alguna cosa detestable. Que fuese Trending Topic la física cuántica serviría para transmitirle a la gente lo increíble que es y, crear interés en la misma. E incluso, quizá, para dejar claro que no tiene nada que ver con curaciones o explicaciones pseudocientíficas. En cualquier caso me haría especial ilusión.

Convocatoria en Cuentos Cuánticos: http://cuentos-cuanticos.com/2013/05/14/fisicacuantica-trending-topic-28-de-mayo/

Por lo que a mí respecta, voy a entregarme a la causa y mi TL va a ser un despiporre de tuits sobre #FísicaCuántica. Pero eso no quiere decir que vaya a tuitear por tuitear. Los posts que enlace, como  siempre, serán entradas que me han parecido fabulosas. Si entré en las redes sociales fue para que la gente dejase de estar en la inopia, como lo estaba yo, y se diese cuenta de la extraordinaria oferta divulgativa que hay. Por eso, me gusta difundir y apoyar a las personas que valen de verdad con independencia de que tengan fama o no. Y ese día no será menos, recuperaré muchos artículos que creo que son muy enriquecedores para el incremento de conocimientos en Física Cuántica.  

También incluiré divertimentos ya que el sentido del humor es imprescindible en cualquier ámbito de la vida y en el de la divulgación y el aprendizaje es tan difícil como necesario.

“Para los que amamos la física como un análisis de fenómenos muy diversos, como una trama de conexiones, como una síntesis sutil y esencial de la dinámica del mundo, como un diálogo con la naturaleza, como una disciplina del pensamiento, como una estímulo artístico y cultural, la física cuántica tienen un atractivo especialmente poderoso, por su capacidad de desbordar lo conocido y de sorprendernos con respuestas que son, a su vez, nuevas preguntas inquietantes.” (David Jou, Introducción al mundo cuántico)

 

Vera, la espía de las estrellas (II): “Lo que ves en una galaxia espiral, no es lo que hay”

Continuación de la entrada Vera, la espía de las estrellas (I): Los misterios del cielo nocturno

A principios de 1951, Vera acababa de presentar la tesis del máster que había cursado  en Cornell en la reunión de la A.A.S. (American Astronomical Society) y había recibido un sinfín de críticas. Desde pequeña sabía que quería ser astrónoma pero los momentos que estaba viviendo hacían que a veces se sintiese insegura y se preguntase si realmente lo sería algún día.

Después de la conferencia permaneció alejada de la universidad durante seis meses y fue precisamente el A.J. (Astrophysical Journal) lo que le hizo volver. Desde su exilio voluntario se subscribió a la revista y cada vez que la recibía le saltaban las lágrimas. No se encontraba en una situación complicada, estaba casada con alguien que quería y con quien compartía sus inquietudes profesionales y personales, tenía un bebé que adoraba y residía en una bonita casa en Trumansburg. Sin embargo sentía que estaba viviendo los meses más infelices de su vida. Trató de crear, junto a su marido, un hogar agradable donde vivir con su hijo y los futuros retoños que viniesen y se trasladaron a Langley Park Apartments, una zona residencial  de Washington. Pero allí se acentuó su malestar, se dio cuenta de que nunca había contemplado la posibilidad de quedarse en casa cuidando de su hijo mientras su marido se iba a trabajar. Sentía que no tenía nada en común con sus vecinos, que no entendían que no se comportase como lo hacían las madres de los demás niños pequeños del barrio. Era una situación demasiado dura y desalentadora. Bob la conocía a la perfección y sabía lo importante que era para ella llegar a ser algún día una verdadera astrónoma. No podía permitir que siguiese viviendo un modelo de vida que no deseaba y decidió hablar con ella para convencerla de que debía regresar a la vida académica. Vera aún recuerda aquel momento, estaba sentada y tenía el ApJ (Astrophysical Journal) abierto por la ponencia de Thornton que acababa de leer “Velocidades Radiales  y masas de las Galaxias Dobles”.

Un mes más tarde pasó algo tan sorprendente como emocionante que acabó de darle fuerzas para reemprender el camino que tanto esfuerzo le había costado seguir. El camino que había decidido tomar a los once años, mientras observaba las estrellas desde su cama. Recibió una llamada de George Gamow. Le pedía si podía facilitarle más información sobre el trabajo desarrollado en la tesis del Master para utilizarlo en una charla del A.P.L. (The Applied Physics Laboratory). No pudo asistir a la conferencia porque no estaba permitida la asistencia de las esposas o acompañantes debido a que era un laboratorio militar y el acceso  estaba restringido. Pero aquella llamada marcó el inicio de un fructífero diálogo telefónico con Gamow.

George Gamow

En febrero del 52, seis meses después de su llegada a Washington, empezó en la Universidad de Georgetown. En ese momento estaba embarazada de su segundo hijo. Si bien le hubiese gustado entrar en Princenton, allí no aceptaban a mujeres y no lo hicieron hasta el 1975. En la de George Washington, donde estaba Gamow, no contaban con la especialidad de Astronomía y sólo hubiese podido hacer Física. Aunque se veía capaz de superar las siete áreas de la física, prefería dedicar su cerebro a problemas astronómicos más que a problemas físicos. En el momento que tuvo que decirle a su madre que volvería a la universidad estaba nerviosa porque no sabía cómo se lo tomaría o si pensaría que no estaba siendo una buena madre. Fue una preocupación sin sentido dado que su madre siempre la había apoyado y siguió haciéndolo.

Para pagar las clases, que representaban una importante fracción del salario de su marido, solicitó una beca en la A.A.U.W. (American Association of University Women) pero se la negaron. La razón fue un tanto curiosa. Al final de la entrevista le dijeron que no se la iban a conceder porque ella acabaría de todas las maneras, se la diesen o no. Así que tuvieron que arreglárselas para afrontar los gastos. Y el esfuerzo económico no fue la única sorpresa, Vera desconocía en el momento de solicitar la admisión, que en Georgetown todas las clases empezaban a las seis de la tarde y se prolongaban hasta las ocho o las nueve. Eso obligó a que todos los días de clase, que eran dos o tres a la semana, Bob Rubin llevase a la madre de Vera a su casa para cuidar de los niños y condujese a su mujer a Georgetown. Las clases eran en el observatorio, que tenía un pequeño estacionamiento en un lugar bastante bonito. Mientras ella iba a clase, Bob cenaba su sándwich en el coche y después entraba y se sentaba en la biblioteca para trabajar.

Empezó a escribir la tesis justo después de su incorporación, mientras se ponía al corriente de las últimas investigaciones. Afortunadamente, en Georgetown tuvieron en cuenta su formación anterior. Dado que había estudiado mucha física en Cornell, el único requerimiento en ciencias fue la propia asignatura de  astronomía. Por lo que a humanidades se refiere, para hacer el doctorado necesitaba conocimientos de filosofía e historia. Dado que en Vassar había cursado varias asignaturas de filosofía, había satisfecho los requerimientos de esta disciplina. Por lo que se refiere a la historia, le fue convalidada por la asignatura de filosofía de la ciencia.

Universidad de Georgetown

Los tiempos de postguerra eran duros, y el director de su universidad, el Padre Heyden, trataba de facilitar las cosas a aquellas personas que necesitaban un cuidado especial ofreciéndoles trabajo. En su tarea docente impartía astronomía estadística y astronomía galáctica. Otro de los padres jesuitas, el Padre Thakakera era un astrónomo solar y trabajaba para la NASA siendo uno de los primeros en determinar la constante solar. Por desgracia, murió muy joven. En aquel ambiente, Rubin sentía que estaba en el camino de convertirse en astrónoma.

Respecto a la elección del tema de la tesis del doctorado, Karl Kiess le sugirió el estudio de la estructura fina del espectro solar. Vera hubiese preferido estudiar los planetas, tal y como estaba haciendo Kiess, en lugar del espectro solar. No estaba interesada en ese tema así que se lo comentó al Padre Heyden con quien tenía mucha confianza. Le preguntó si podía pedirle a George Gamow que fuese su director de tesis. Tras la aprobación del religioso, contactó con Gamow por teléfono y este la citó en la bilioteca del DTM (Department of Terrestrial Magnetism) de la Institución Carnegie, del que hasta entonces no había oído  hablar.  Era la primavera del 52 y estaba embarazada de su hija Judy.  Después de esa primera charla, a finales de abril, la invitó a una reunión en la National Academy of Sciences y fue la primera vez que entró en ese edificio. Se quedó a comer y escuchó las charlas que se dieron. Y fue realmente emocionante.

La discusión se centró en la posible existencia de agrupaciones galácticas, si había algunas distribuciones preferentes de galaxias. A partir de esta segunda cita, se encontraron periódicamente en la biblioteca o en la casa que Gamow tenía en Chevy Chase. Allí vivió algún momento embarazoso al presenciar la tensa relación entre Gamow y su esposa.  Como tenían que alternar sus compromisos académicos con sus encuentros no podían verse con la frecuencia que hubiesen deseado y se limitaban a verse una vez al mes. En esos encuentros examinaban los avances que habían realizado sobre el tema de la tesis.

La primera ocasión en la que pudieron pasar dos largas tardes hablando durante horas sobre galaxias y estrellas fue en la universidad de verano de Michigan de 1953, y lo hicieron con Baade en el hotel del campus donde se hospedaban. Ella había solicitado una ayuda económica para asistir a aquella universidad de verano a la NSF (National Science Foundation) pero le fue denegada sin más explicaciones. Al final el matrimonio se decidió a ir a pesar del coste y sus padres se quedaron con los niños. El esfuerzo valió la pena ya que ese encuentro marcó un punto de inflexión. Allí conoció a la mayoría de los grandes astrónomos profesionales con los que ahora tiene relación. Pudo disfrutar de la exposición de una gran diversidad de temas y perspectivas que no habría podido escuchar en otras circunstancias.

George Gamow

George Gamow, por su parte, era realmente un fenómeno. Tenía una intuición portentosa y, si no tuvo más renombre fue, probablemente, porque era poco ortodoxo. En muchos casos no hacía el trabajo de forma detallada, sino que le venía por inspiración. Vera nunca había visto a una mente trabajar así.

El tema elegido para la tesis partió de una pregunta de Gamow. Querían estudiar la distribución espacial de las galaxias en el universo para comprobar si era uniforme o si, por el contrario, formaba agrupaciones. Para hacerlo se sirvió de los procedimientos estadísticos que ya se estaban desarrollando en la comunidad astronómica en esos momentos. La conclusión fue que existían regiones donde había una mayor agrupación de galaxias. Sin embargo, este tema no volvió a investigarse hasta el decenio de 1970, cuando se dispuso de más datos y ordenadores más potentes.

El trabajo de la tesis lo realizó íntegramente en casa durante los momentos en los que los niños dormían. Cuando estaban despiertos podían disfrutar de su madre. Su familia y sus estudios eran sus dos principales ocupaciones y no tenía tiempo para convencionalismos sociales propios de aquella zona residencial en la que cada vez le  disgustaba más vivir. Finalmente, el 1954, culminó esta dura etapa con la obtención del doctorado.

El año siguiente enseñó matemáticas y física en el Montgomery County Junior College. De 1955 a 1965 fue investigadora asociada y, más tarde, profesora adjunta de la Universidad de Georgetown. No hacía lo que realmente le gustaba en el campo de la astronomía pero fueron unos años muy provechosos. En primer lugar crió a sus cuatro hijos que, tal y como apunta, han sido sus mayores logros: David (1950), Doctor en Geología; Judith (1952), Doctora en Física; Karl (1956), Doctor en matemáticas; y Allan (1960), Doctor en Geología. En segundo lugar, mantuvo e incrementó sus conocimientos en astronomía gracias a la literatura que estudiaba para impartir sus clases, así como a través de la lectura de todos los artículos que caían en sus manos. Jamás había podido estar tan al día de los avances que tenían lugar en su campo. Sentía que estaba aprendiendo, que aprovechaba ese tiempo tan valioso para enseñar y aprender enseñando.

En ese periodo también se mudó de la zona residencial, aprendió a conducir, impartió cursos de Astronomía en el instituto de sus hijos, trabajó en el Consejo Asesor de un programa de ciencia juvenil de la propia ciudad y en el Comité Nacional de los Derechos Humanos. Y además hizo algunos bolos académicos destacados. En 1960 asistió a un Simposium en Santa Bárbara sobre Agrupaciones Galácticas. Allí escuchó una charla de Fritz Zwicky que, en principio, no estaba anunciada en el programa. Pero  Fritz estaba muy interesado en hablar sobre las agrupaciones galácticas y eso le hizo comprender a Vera hasta que punto el tema de su tesis doctoral estaba candente. Un año más tarde fue a la Netherlands University Research, para asistir al curso de verano organizado por Jan Oort, que fue de gran importancia para ella ya que volvió a ponerla en contacto con la astronomía extragaláctica. Pudo conversar sobre las novedades y progresos que se estaban desarrollando en su campo  y se sintió feliz de haber hecho astronomía a pesar de todos los comentarios en contra que había recibido. La realización del curso había llegado a sus oídos por casualidad, cuando un jesuita alemán lo mencionó al pasar de visita por Georgetown. Baade iba a ser uno de los conferenciantes pero murió esa primavera.

En 1963, Rubin trabajó con Margaret y Geoffrey Burbidge en la Universidad de California. Ambos escuchaban sus ideas y se interesaban por lo que decía, le daban credibilidad y la hacían sentirse como una verdadera astrónoma profesional. Por aquel entonces también se convirtió en una observadora oficial (profesional) en el Kitt Peak en Arizona y también fue la primera mujer a quien se permitió realizar observaciones en el Observatorio de Palomar.

Vera Rubin en el Kitt Peak, 1970

A su regreso a Washington, en 1965, obtuvo un puesto en el DTM (Department of Terrestrial Magnetism) de la Institución Carnegie, lugar en el que se había encontrado por primera vez con Gamow y del que hacía tiempo que quería formar parte. El ambiente era muy familiar y la falta de presión por publicar hacía que pudiese disfrutar de la libertad necesaria para seguir sus propios intereses y escoger el objeto de su investigación. Tenían almuerzos diarios y discusiones científicas. Vera se sentía totalmente satisfecha, era todo lo que deseaba, hacer astronomía allí era un verdadero placer. Tal y como le dijo en varias ocasiones a David Burstein, que estuvo con ella de 1977 a 1979 como postdoctorado, “no debes hacer astronomía por dinero o publicidad, debes hacerlo por tu propia satisfacción.”

En 1970 empezó a colaborar con Kent Ford y volvieron a sus antiguas investigaciones sobre la rotación global de las galaxias entorno a un eje central del universo. Tras llegar a resultados parecidos a los obtenidos en la tesis de su master, volvieron a encontrarse con un recibimiento poco amistoso por parte de la comunidad astronómica. Se generaron debates encendidos e incluso recibió invitaciones a abandonar esa investigación. Como tanto ella como Ford no querían tener que trabajar en ese ambiente de confrontación intensa y desagradable, decidieron centrarse en un área que les parecía menos controvertida.  Y acertaron de lleno…

Estudiarían porqué las galaxias espirales presentaban variaciones en su brillo y en su estructura. Creían que estaba relacionado con la velocidad de rotación de las estrellas respecto al centro galáctico. Vera ya había mostrado interés en el movimiento interno de las galaxias durante su estancia en la Universidad de California y, los Burbidges habían medido las velocidades de las estrellas más cercanas al eje central galáctico. Pero Vera, en su actual colaboración con Ford quería ir más allá y estudiar el comportamiento de aquellas que estaban más alejadas. Con el espectrógrafo de Ford, dotado de una gran sensibilidad, midieron la velocidad de las estrellas en las galaxias espirales en función de su distancia al centro.

Debido al efecto Doppler, la luz emitida por las estrellas que se acercan al observador o espectrógrafo aumenta su frecuencia presentando un desplazamiento al azul mientras que la emitida por las que se alejan experimenta un desplazamiento al rojo.  A través de los cambios en la frecuencia se puede calcular la velocidad orbital de las estrellas en las diferentes partes de las galaxias espirales. La primera que examinaron fue Andrómeda obteniendo resultados sorprendentes e inesperados.

Galaxia de Andrómeda

Por aquel entonces creían que la distribución de masa en una galaxia seguía el mismo patrón que la distribución de luminosidad. Así pues, las estrellas situadas en las cercanías del centro donde existe mayor concentración de estrellas visibles y por tanto, mayor masa y mayor gravedad, girarían con mayor rapidez mientras que la velocidad disminuiría en las zonas medias llegando a su mínimo en las zonas periféricas. En las galaxias espirales, el polvo y las estrellas del disco galáctico están todos en órbita alrededor de un centro de masas común. Se mueven en respuesta a la atracción gravitatoria.

Si se imagina la galaxia como un esferoide, la atracción gravitatoria debida a la masa M residente en su centro, y un objeto de masa m, en una órbita ecuatorial a una distancia r del centro, viene dada por la ley de Newton GMm/r² = mv_r²/r y de aquí se obtiene que v_r = (GM/r)^-1/2 donde v_r es la velocidad orbital.

Si representaban la velocidad orbital en función de la distancia al centro, esperaban encontrar que esta decreciese inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la distancia. Pero lo que hallaron no fue eso. La velocidad de rotación de las estrellas de la galaxia espiral permanecía constante al aumentar la distancia al centro o bien aumentaba ligeramente al alejarse de este. Es decir, las estrellas más lejanas al centro, en las regiones escasamente pobladas, se estaban moviendo tan rápido como las más cercanas.

En un primer momento pensaron que la galaxia de Andrómeda presentaba algún comportamiento anómalo, así que estudiaron unas sesenta galaxias espirales más y obtuvieron resultados análogos. Vera concluyó que  “Lo que ves en una galaxia espiral, no es lo que hay”. Parecía que la disminución de la masa luminosa con la distancia al centro quedaba compensada por un aumento de una masa no luminosa de la que había aproximadamente 10 veces más.

Cúmulo de Coma

Tras el asombro inicial, Rubin recordó que ya había evidencias anteriores de una masa invisible en el universo. Como estudiante de postgrado aprendió que hacia el 1933 Fritz Zwicky y Sinclair Smith, del Instituto de Tecnología de California, descubrieron que en algunos cúmulos como el de Coma, algunas galaxias se movían a una velocidad tal que su atracción gravitatoria mutua era insuficiente para evitar la desintegración del cúmulo. De ello se desprendía que o bien la agrupación galáctica se estaba desintegrando o bien había algún tipo de materia no visible que la mantenía unida. Dado que los datos apuntaban a favor de una configuración estable de los agregados galácticos, se empezó a hablar de la existencia de una “masa perdida”. Bueno, pues parecía que perdida no estaba, simplemente no se podía ver.

En la reunión de la Sociedad Estadounidense de Astronomía de 1975, Vera y Kent anunciaron a toda la comunidad científica sus hallazgos sobre el giro anómalo de las velocidades de las estrellas en las galaxias espirales. Ello podía deberse a que la ley de la gravedad no se aplicara universalmente o a la existencia de una masa no visible, “materia oscura”.  Como podía esperarse, en un primer momento los científicos se mostraron reacios a aceptar esta conclusión. Pero las observaciones eran tan claras y la interpretación tan sencilla que pronto se dieron cuenta de que Rubin tenía que estar en lo cierto. Poco tiempo después aparecieron trabajos que lo corroboraron.

Desde 1978 Vera y su equipo ya han estudiado más de 200 galaxias y han estimado que aproximadamente el 90% de la materia del Universo es esta materia “oscura”, no visible pero detectable por el efecto gravitacional que produce. En un artículo publicado en el Scientific American Rubin afirmó que “Esta materia oscura es tan importante para nuestra comprensión del tamaño, forma y destino final del universo que su búsqueda probablemente dominará la Astronomía en las próximas décadas”; y en Discover explicó que “Con más del 90% de la materia del universo para jugar con ella, ni siquiera el cielo será el límite”

Curvas de rotación para galaxias espirales

Estaba en lo cierto, la materia oscura sigue siendo uno de los misterios más atractivos de la actualidad. A parte de los resultados obtenidos por Rubin, también ha habido otras evidencias de su existencia como el Cúmulo Bala , o el fenómeno de la lente gravitatoria en zonas donde no hay estrellas. Hay varios candidatos a materia oscura más allá del modelo estándar. En el modelo supersimétrico las partículas WIMP son unas candidatas muy bien posicionadas que cumplen con las características necesarias para ser materia oscura. Sin embargo aún no hay evidencias experimentales de la existencia de supersimetría.

Vera ha precisado en alguna ocasión que ella no descubrió la materia oscura, que se limitó a observar que las galaxias giraban de una manera totalmente inesperada según las leyes de Newton y Kepler, que esto se interpretó como la primera evidencia de que la materia oscura existía, y continúa siendo la hipótesis más factible, pero que también podría ser que arrastrásemos un error fundamental en las ecuaciones que utilizamos para describir el movimiento de los cuerpos celeste. Las teorías  alternativas que por el momento se han hecho para justificar las consecuencias o pruebas de la materia oscura sin la necesidad de incluirla, por el momento son incompletas: MOND (Modified Newtonian Dynamics) trató de aportar una alternativa dinámica y la de Gravedad Conforme trató de establecer una teoría gravitatoria alternativa.

En su continua exploración del cosmos, Vera descubrió en 1992 la NGC 4550 en la cual la mitad de las estrellas del disco están orbitando alrededor del centro en una dirección y la otra mitad en la dirección opuesta, con ambos sistemas entremezclados. En un principio pensó que el resultado podía ser debido a la fusión de dos galaxias girando en direcciones opuestas. Pero desde entonces, ha encontrado otros casos que también presentan este extraño comportamiento. Más recientemente, su equipo ha observado que la mitad de las galaxias del gran cúmulo de Virgo muestran signos de perturbaciones debidas a los efectos gravitacionales provocados por galaxias cercanas. Quedan demasiados misterios por resolver para dejar de mirar al cielo.

Vera, ha visto reconocidos sus logros en diversas ocasiones. En 1981 fue elegida miembro de la National Academy of Sciences y en su discurso declaró que “La fama es efímera. Mis números significan más para mí que mi nombre. El mayor elogio será que los astrónomos, a partir de ahora, sigan utilizando mis datos durante años.” En 1993 recibió la National Medal of Science y en el 2008 le concedieron el Richtmyer Memorial Award. El 18 de enero de ese año murió Robert, y Vera, con el fin de honrar a su marido, donó una importante cantidad del premio  al Center of History of Physics del American Institute of Physics del que este había sido colaborador.  Bob siempre había manifestado pasión por la historia de la física.

Bob Rubin

A lo largo de su carrera, Vera ha tenido que luchar para ganarse la credibilidad como astrónoma y por ello, siempre ha tratado de ayudar y animar a los jóvenes a seguir sus sueños de investigar el universo. Así mismo, también se ha acercado a los niños a través de un libro titulado “Mi abuela es astrónoma”, para que sientan la felicidad que ella experimenta contemplando el cielo nocturno.

Vera, no ha buscado prestigio ni aclamaciones. Su objetivo ha sido la satisfacción personal que se deriva de los descubrimientos científicos. “Hemos podido mirar el interior de un mundo nuevo, y hemos visto que es más misterioso y más complejo de lo que imaginábamos. Todavía hay secretos ocultos esperando ser descubiertos en un futuro por científicos aventureros. Y eso es lo que me gusta.”

PARA SABER MÁS SOBRE LA MATERIA OSCURA

- Enrique F. Borja en Cuentos Cuánticos: Materia oscura (I y II)

- Pedro J. Hernández en Ecos del futuro: Materia oscura ; MACHOs y exoplanetas ; Neutrinos ; Galaxias y neutrinos ; ¿Detectada la materia oscura? ; La gravedad bajo sospecha 

- Astrofísica con sal y pimienta: Explicando la materia oscura a un estudiante de derecho (o a cualquiera que no sea astrofísico)(I y II)

Vera, la espía de las estrellas (I): Los misterios del cielo nocturno

“Tan pronto como me interesé en la astronomía decidí que eso era lo que haría durante el resto de mi vida. Pero no sólo era la astronomía, era la maravilla de todo. Pensaba cómo se podía vivir en la tierra y no querer estudiar todas esas cosas. Al empezar todo parecía misterioso y quería descubrirlo, no entendía como podía estar rodeada de todas esas cosas sin conocerlas”

Vera Cooper Rubin nació en 1928 en Filadelfia (Pensilvania) y desde pequeña supo que no quería vivir rodeada de misterios sin tratar de descubrirlos. Decidió dedicar su vida a investigar los secretos del universo.

Su padre, Pesach Kobchefski nació en Vilma en 1898, pero a los siete años se trasladó a Gloversville. Más tarde, en Filadelfia, estudió ingeniería electrónica convirtiéndose en el primer universitario de su familia. Philip, como se llamaría en América, poseía una gran inteligencia y ya desde pequeño mostró un talento especial para las matemáticas. Su madre, Rose Applebaum, nació dos años más tarde y se graduó en el instituto William Penn de Filadelfia, hacia el 1918. Hizo clases de canto desde pequeña, pero después de casarse dejó de cantar de forma profesional y limitó la expresión de su arte al coro del templo. Hacia el 1920, conoció a su futuro marido mientras trabajaba en la Bell Telephone Company. Después de contraer matrimonio, compraron una casa en Mount Airy y tuvieron dos hijas. Vera era la pequeña, su hermana Ruth Cooper Burg, dos años mayor, también manifestó un gran interés por la ciencia a temprana edad pero acabó estudiando derecho.

A pesar de criarse en los tiempos de la “Gran Depresión” los recuerdos de la infancia de Vera son muy felices. Sus padres estaban muy unidos y sentían verdadera devoción por sus hijas a quienes siempre ofrecían apoyo. Sin embargo, su padre vivió esa época de una forma diferente y, muchos años después, la recordaba como una pesadilla. En la Bell Telephone Company se aburría, no se sentía útil y se lo comunicó a su jefe. Dada la valía del trabajador, le dijeron que planeaban enviarle a un laboratorio que se iba a construir y que se convertiría en el Bell Labs. Pero Philip era demasiado impaciente para esperar, así que hacia el 1933 dejó la compañía. Trató de entrar en un negocio de lavandería con su cuñado pero no le reportaba ingresos suficientes para afrontar los gastos de la casa. Así que se fueron a vivir con sus abuelos al oeste de Filadelfia. En el 38, la situación laboral mejoró y, tras varios empleos, solicitó un trabajo en la administración pública, en el Departamento de Agricultura de Washington.

Y fue precisamente en Washington donde Vera descubrió el cielo nocturno. En su nueva casa adosada compartía la habitación con su hermana. Pero, siendo como eran dos personitas de mucho carácter, decidieron dividir el territorio y trazar una línea imaginaria que no podían cruzar. La mitad del dormitorio de Vera tenía la cama al lado de un gran ventanal orientado al norte. Por la noche podía contemplar las estrellas, su rotación alrededor del polo. La niña de once años se enamoró de la astronomía y tomó la firme resolución de dedicarse a ella toda su vida. No podía abrir la luz para anotar sus observaciones ya que hubiese despertado a Ruth y se hubiese llevado la consiguiente reprimenda por parte de sus padres, pero si veía meteoritos se mantenía despierta toda la noche y memorizaba sus movimientos para dibujarlos a la mañana siguiente. Durante esos días pudo contemplar, en varias ocasiones, impresionantes auroras así como un alineamiento planetario. Quería saber más, así que empezó a sacar libros de la biblioteca. Paralelamente, unos amigos de sus padres la llevaban, junto a su hermana, a Virginia para observar las estrellas. Y fueron ellos los primeros a nombrarle las constelaciones.

Con ayuda de su padre, construyó un telescopio con un objetivo de dos pulgadas de diámetro que hizo más atractiva su época escolar. Fotografiaba las estrellas. Las redacciones versaban sobre telescopios reflectantes y refractantes. No podía aburrirse teniendo algo tan interesante en lo que fijar su atención. Hacia los catorce años empezó a ir al D.C, Amateur Astronomer Club, una vez al mes acompañada por Philip, que no creía adecuado que su hija fuese sola. Allí, escuchó por primera vez a astrónomos como Harlow Shapley y a Donald Menzel.

Su amor por la astronomía no era resultado de una atracción general por la ciencia que hubiese podido heredar de su padre. En realidad, sólo había otra disciplina científica por la que tenía verdadera adoración: las matemáticas. Después de trasladarse a Washington, volvían con frecuencia a Filadelfia para visitar a la familia y, durante las cuatro horas que duraba el trayecto, su padre les proponía enigmas matemáticos. Entre acertijo y acertijo, Vera jugaba con los números de las matrículas de los coches, aprendiendo, sin saberlo, combinatoria de forma autodidacta. Como resultado de esta afición a las ciencias exactas, su padre trató de convencerla para que eligiese este camino y se hiciese matemática ya que ceía que no podría ganarse la vida como astrónoma.

Coolidge High School

En el Coolidge High School tuvo a su mejor profesor, Lee D. Gilbert. Impartía matemáticas y siempre incitaba a sus alumnos a pensar por sí mismos. En ocasiones, les proponía problemas que aún no les había enseñado a resolver, con el fin de que empezasen a plantearse la posible respuesta. Por el contrario, no tuvo demasiada suerte con los profesores de ciencias. Vera reconoce que tuvo parte de culpa ya que, a diferencia de su hermana, era terriblemente independiente. En la clase de física se sentía totalmente fuera de lugar, parecía un club de grandes machos entre los cuales una mujer pintaba muy poco. Ella tenía un fuerte sentimiento de justicia e imparcialidad y ese comportamiento le resultaba incomprensible. Las prácticas de laboratorio eran una pesadilla. No lograba entablar comunicación con el profesor, quien nunca habló con ella lo suficiente para saber que estaba interesada en la astronomía. El día que le concedieron la beca a la prestigiosa Universidad femenina de Vassar, tropezó con él por los pasillos del instituto y se lo contó. Era la primera vez que intercambiaban una palabra fuera de clase. Y sería la última. Su amable respuesta fue: “Mientras permanezcas alejada de la ciencia, todo irá bien”.

A modo de anécdota, decir que, a parte de la Universidad de Vassar, también había cursado solicitud para las universidades de Pensylvania y de Swarthmore. La responsable de admisiones de esta última no se la tomó en serio en ningún momento de la entrevista y le aconsejó que, dado que quería dedicarse a la astronomía y le gustaba pintar, considerase desarrollar una carrera profesional como pintora de escenas astronómicas.

Por lo que a la religión se refiere, la vivían más como una tradición familiar que como una práctica ligada a la asistencia a la sinagoga. En el instituto no experimentó antisemitismo pero sí había una fuerte segregación religiosa. Todos los chicos con los que salió eran judíos y Ruth, a diferencia de ella, pertenecía a una hermandad judía. Para Vera no podía contemplarse dicha opción ya que por encima de todo necesitaba sentirse libre. Sabía que en algunas cosas era diferente, que le divertían cosas que no parecían gustarles a los demás. Prefería quedarse en casa leyendo o haciendo otras actividades que no salir al cine o a tomar algo. Pero no recibió crítica alguna por ese comportamiento. Sus compañeros eran suficientemente inteligentes como para entender su pasión por la astronomía.

Hacia el 1940 su padre empezó a trabajar en la Marina y permaneció allí durante toda la guerra. Eran tiempos difíciles en los que todo parecía cambiar a su alrededor. Los amigos de su hermana, que por aquel entonces tenían dieciocho años, se estaban alistando. Para conseguir algo de dinero trabajó todos los días festivos y las vacaciones veraniegas en la oficina del Servicio Selectivo del General Hershey. Lo detestaba, pasó allí las peores horas de su vida. No paraba de mirar el reloj y no sentía interés alguno por lo que hacía. Su madre era consciente de lo mucho que le desagradaba ese empleo pero pensaba que era importante que experimentase lo que significa tener que hacer algo que no te gusta. Tomaba el autobús con su padre para dirigirse al suplicio, y recuerda perfectamente la mañana del seis de agosto del 1945. Tenía diecisiete años y leyó en los periódicos la noticia de la explosión de la bomba atómica. Fue el recuerdo más dramático de esa etapa.

Vassar College

Durante el periodo bélico la Universidad de Vassar había elaborado un plan de estudios de tres años y, en septiembre de 1945, lo mantuvieron al tiempo que recuperaron el antiguo plan de cuatro años. Los alumnos podían elegir entre los dos y Vera se decantó por el más corto. La beca que le habían concedido no cubría todo el importe de la matrícula por lo que, en el segundo trimestre, entró a trabajar como ayudante en el departamento de astronomía. Trataba de limitar sus gastos lo máximo posible de manera que no representase una carga para la familia que ya contaba con otra hermana en la universidad. La austeridad también limitaba sus desplazamientos y no hacía viables las visitas a casa. No obstante, se sentía afortunada: el entorno era maravilloso, aprendía astronomía, tenía comida suficiente y un poco de dinero para ir tirando. No necesitaba más.

El primer año conoció a una astrónoma profesional, Maud Makemson que le dio tres clases semanales y un crédito adicional de  Historia de la astronomía que resultó ser muy inspirador. Fue un curso técnico, en el que por primera vez, utilizó un telescopio en las prácticas del laboratorio de ciencias. Los resultados de las observaciones no los anotaba en el cuaderno de primer año, sino que los dibujaba en sus propias hojas.

Maud Makemson

Cuando entró en la universidad sus padres vendieron la casa y se mudaron a unos apartamentos en Trenton Terrace, que estaban cerca del laboratorio de investigación de la Marina. Dado que Vera necesitaba dinero, su padre le consiguió un empleó allí, donde trabajó durante tres veranos. El primero de ellos fue un poco distinto porque estuvo en un grupo de pruebas psicológicas estudiando respuestas rápidas a situaciones de emergencia. Los dos siguientes, trabajó en el laboratorio de óptica de  Richard Tousey, lo cual le resultó más interesante. Lo más curioso de trabajar en un laboratorio militar era que participaban en una pequeña parte de un proyecto que desconocían.

En el segundo año de carrera, Maud Makemson tuvo un año sabático y apareció una profesora llamada Mrs. Singer. Esto hizo que Vera, no sintiéndose cohibida por alguien de la talla de Makemson, diese rienda suelta a su espíritu investigador. Experimentó con el telescopio de 15 pulgadas y con el espectroheliógrafo. Con la ayuda de un amigo, pasó las tardes observando y fotografiando el cielo. No tenía otro objetivo que sentir que hacía de astrónoma. Respecto a las demás asignaturas, se vio obligada a hacer física. Después de la experiencia desastrosa vivida en el instituto, había decidió escaquearse de esta asignatura el primer año pero el segundo ya no fue posible hacerlo. Afortunadamente, el curso resultó muy satisfactorio ya que dieron especial relevancia a la óptica, que era el campo de la física que más le interesaba. Además tuvo la suerte de compartir clase y experimentos con alumnas que habían elegido la especialidad de física y transmitían su pasión por la misma. Este grupo organizaba seminarios una vez al año y, en una ocasión, acudió un joven de unos veinticuatro años llamado Richard Feynman. Todas se quedaron prendadas del conferenciante. Sabían que había muerto su mujer y veían a Feynman como a una especie de héroe romántico. Algunas de las estudiantes le conocían pero ella no se atrevió a decirle una palabra en todo el fin de semana.

El verano del 47 fue movido. Sus padres habían conocido a los progenitores de un joven universitario y decidieron presentarlos. Durante la cena, Vera supo que Bob Rubin iba a Cornell y, lo más importante, que le había dado clases el propio Richard Feynman. Esto último le hizo subir muchos puntos al muchacho, dándole un atractivo especial. Desde el principio se mostraron interesados el uno por el otro. Pero tras finalizar el verano retomaron sus respectivos caminos. Ella volvió a Vassar para cursar su último año y él continuó sus estudios en Cornell. Bob había tenido una carrera accidentada por culpa de la guerra y ahora debía tratar de conseguir un currículum mínimamente normal de químico-físico. Una vez en sus destinos universitarios, pudieron verse en numerosas ocasiones. Ninguno de los dos tenía coche pero se las arreglaban para encontrar algún conductor voluntarioso que les acercase. Sobre el mes de noviembre, escribieron una carta a sus padres comunicándoles que querían casarse a finales de verano. Los susodichos no pudieron quejarse puesto que habían propiciado el encuentro.

Robert Rubin

Por lo que se refiere al aspecto académico, el tercer año fue complicado. Maud Makemson había vuelto y mantuvieron una relación muy tensa. Para la astrónoma Vera no se tomaba el estudio demasiado en serio y estaba segura de que una vez casada, dejaría atrás la astronomía. Creía que no se aplicaba esforzaba lo suficiente, que no se esforzaba como lo hubiese hecho en el caso de no haber aparecido Bob. De las dos asignaturas que cursó con ella, en una no tuvo problemas porque compartía el aula con más gente, pero en la otra, en la que era la única estudiante, vivió un infierno. El momento más tenso de la relación entre ambas se dio en el examen final de carrera, cuando la profesora tuvo que reconocer que se había equivocado en el enunciado de uno de los ejercicios. Vera, que había hecho bien el resto de problemas, se graduó. Afortunadamente, la historia entre ambas tuvo un final feliz, y con el tiempo llegaron a ser grandes amigas.

El siguiente paso que debía realizar para llegar a ser astrónoma era hacer el máster. En un principio, había solicitado la beca para ir a Harvard pero las circunstancias personales hicieron que se decidiese por Cornell donde estudiaba Bob. Cuando comunicó su cambio de opinión a Donald Menzel de Harvard, este acabó su carta de respuesta escribiendo que “este es el problema con las mujeres. Cada vez que tengo una realmente buena, lo deja para casarse.” Entonces había mucha diferencia entre la enseñanza de astronomía que se impartía en Harward y la de Cornell pero Vera era optimista por naturaleza y no creyó que estuviese disminuyendo sus posibilidades de dedicarse a la astronomía en un futuro.

En Cornell el departamento de astronomía estaba situado en un cobertizo de madera detrás del edificio de física. El recibimiento por parte de William Shaw fue antológico. Le dijo que buscase algo más que hacer ya que no había trabajos en astronomía, había muy pocos observatorios y no se necesitaban astrónomos. No era algo personal, Shaw estaba perpetuamente a la defensiva y creía que todo el mundo pretendía engañarle. Vera no tuvo más remedio que acostumbrarse a su carácter ya que le tocó ser su ayudante en el curso elemental de astronomía. Y, para más inri, ello le suponía además, tener que perderse algunas clases fundamentales de su primer año de física como la dinámica clásica. Cuando Feynman supo del problema del solapamiento horario, habló con ella y le recomendó que cursase su asignatura de electrodinámica cuántica. Para alguien que no contaba con un gran bagaje en física resultó un tanto drástico empezar directamente con esta asignatura pero, por fortuna, la gran capacidad didáctica del Profesor Feynman hizo que pudiese superarla con éxito. Y es que, si algo tenía Cornell, era un departamento de física potente. Vera tuvo el privilegio de tener profesores como H. Bethe, P. Morrison y el citado R. Feynman. Puede que si no hubiese tenido tan claro qué quería hacer, se hubiese visto tentada a cambiar de especialidad. Pero la elección estaba tomada y en astronomía también contó con una personalidad destacada como la astrónoma Martha Sathr (posteriormente Martha Carpenter), con quien estudió las ecuaciones de astronomía esférica y la dinámica de las galaxias.

Realizó el trabajo para la tesis del master en la primavera de 1950 y suscitó mucha controversia. Se planteó la posibilidad de que el universo experimentase un movimiento de rotación alrededor de un eje central y no se limitase a expandirse a partir de un punto, tal y como postulaba la teoría del Big Bang. Esta premisa podía ser fruto de la lectura de un artículo especulativo de George Gamow, publicado en la revista Nature, que llevaba por título: “Rotating Universe?” (¿Universo rotatorio?). Lo que ella no sabía es que Gamow estaba sólo en ese tema, e incluso en el propio artículo reconocía que la idea podía parecer una fantasía a primera vista.

Para llevar a cabo el estudio, Vera recopiló los datos  de las 108 galaxias para las cuales los astrónomos habían conseguido medir el desplazamiento al rojo (efecto Doppler, que experimenta la luz cuando la fuente emisora se aleja del receptor). Separó la contribución de la velocidad debida al movimiento de expansión del universo y representó las velocidades residuales en una esfera. Buscaba únicamente si aquel movimiento residual presentaba alguna peculiaridad y encontró que las galaxias espirales parecían viajar más rápidamente en una dirección que en la otra.

Como podía esperarse, Shaw no se mostró satisfecho con la tesis y le comentó que el trabajo estaba hecho de un modo bastante descuidado y que ello se debía a que no prestaba suficiente atención a los detalles. También le comentó que los resultados podían presentarse en la reunión de la A.A.S. (American Astronomical Society) que se celebraría aquel diciembre en Haverford, y que, dado que Vera no era miembro y que por aquel entonces acabaría de tener el niño, lo presentaría él a su nombre. Por supuesto, Vera rechazó tan generoso ofrecimiento y le aseguró que podría ir y presentarlo ella misma. 

Cornell College

En principio debía hacer los exámenes orales del master en junio de 1950 con un tribunal compuesto por los profesores Shaw, Feynman y Stahr, pero Feynman desapareció de Cornell una semana antes de la prueba sin decírselo y sin una razón aparente para ello. Así que el examen oral se aplazó hasta octubre y se eligió al profesor Philip Morrison como nuevo miembro del tribunal.

Llegó diciembre. Su hijo David, que tenía que nacer en octubre, vino al mundo el 28 de noviembre y su residencia en Ithaca estaba lejos de Haverford. Los padres de Vera fueron a buscarlos y les condujeron a Haverford. Nevaba y el viaje fue muy duro. Se había preparado la charla, que tituló “Rotación del Universo”, con sumo cuidado, memorizando palabra por palabra. No había consultado el programa y desconocía quien hablaría antes de su intervención. Llegado el momento, realizó su presentación y, una vez finalizada, se sucedieron las críticas. Vera no conocía a ninguna de las personas que se ponían en pie para expresar que el punto de partida era extraño, los datos pobres y la conclusión poco convincente. Finalmente, el astrónomo Martin Schwarzschild puso fin a la agria discusión expresando en voz alta que el tema resultaba muy interesante y que debería tenerse en cuenta. A continuación el moderador anunció la pausa para el café. Y Vera ya tuvo bastante. Para ella, la reunión había concluido.

Sabía que su artículo no era extraordinario ya que, después de todo, se trataba de la tesis de un máster. Pero creía que había tomado los datos con sumo cuidado y que sus resultados merecían mayor consideración. Además, pensaba que había hecho una buena exposición de los mismos. Lo que desconocía y supo tiempo después es que cuando sometieron su artículo a la acción del Consejo, hubo una fuerte discusión sobre si permitían o no que fuese presentado. Así pues, antes de empezar a hablar ya la estaban “esperando”. Por lo que se refiere a Schwarzschild, fue de gran ayuda y le escribió unos seis meses más tarde de la reunión, para decirle que había oído que estaba teniendo dificultades para conseguir que se publicase el documento y que la ayudaría presentándolo como una comunicación. El documento fue rechazado por el ApJ (Astrophysical Journal) y el AJ.

Martin Schwarzschild

La conferencia fue tan sonada que al día siguiente su intervención fue primera página de muchos periódicos, incluyendo el Washington Post que la publicó bajo el titular: “Joven madre encuentra el centro de la creación o algo parecido”. Cincuenta años más tarde, cuando consiguió la Medalla de la Ciencia, unos amigos suyos holandeses, publicaron en un pequeño periódico “Abuela mayor consigue la medalla de la Ciencia” y se la enviaron como felicitación. Lo único positivo que encontró Vera en aparecer en el diario fue que algunos astrónomos sabrían quien era, o para ser exactos, quien era “Vera Hubin”, que fue como la bautizaron.

Afortunadamente este acontecimiento no debilitó lo que sentía por la astronomía, pero la situación en la que se encontraba, le llevó a preguntarse en repetidas ocasiones si llegaría a ser astrónoma alguna vez. Ya no estaba en el Departamento de la universidad y los siguientes meses los pasaría cuidando de su hijo y haciendo mudanzas. Sería un tiempo difícil en el que se daría cuenta hasta qué punto echaba de menos la astronomía.

Pero eso lo veremos en el siguiente capítulo… Vera, la espía de las estrellas (II): “Lo que ves en una galaxia espiral, no es lo que hay”

Mateaventúrate hasta el infinito y más allá

A Salvador y Ventura, por inspirar el proyecto.

A Clara y Raquel, por todo.

Esto no es una reseña, es una clara recomendación porque no quiero que os perdáis esta gran aventura, bueno, para ser exactos, esta gran mateaventura. La diversión y el aprendizaje están asegurados. Con independencia de la edad que tengáis y de lo que os gusten o disgusten las matemáticas, disfrutaréis del libro y estableceréis una nueva relación con esta disciplina.

Puede que alguno de vosotros os mostréis más reacios a comprarlo porque odiabais las matemáticas y os aburríais soberanamente en clase. Incluso es posible que tengáis la sensación de contar con el famoso gen antimates que imposibilita su comprensión. Pamplinas. No volváis a pensar nunca más que “no se os dan” las matemáticas porque todo el mundo puede entenderlas si se explican con claridad. “Hasta el infinito y más allá” es un buen ejemplo de ello.

En este viaje descubriréis la verdadera esencia de las matemáticas y conoceréis sus conceptos fundamentales de forma amena y entretenida. Las diferentes ideas que se presentan se enmarcan en un contexto cotidiano, lo que demuestra hasta qué punto forman parte de nuestra vida y es importante disponer de una cultura básica de las mismas y vencer el anumerismo.

Mati  era la protagonista de dos blogs magníficos:   Mati y sus mateaventuras y Mati, una profesora muy particular.  Desgraciadamente, este último, alojado en 20minutos, no va a tener continuidad (leer último post). Pero el primero, el original, espera vuestra visita. Y estoy segura de que, si todavía no lo hacéis, lo seguiréis después de leer el libro. Para aquellos que ya sois adictos a las mateaventuras blogueras, debéis saber que “Hasta el infitinto y más allá” no es una mera recopilación de las entradas del blog. Se trata de una cuidadosa revisión y selección de material cuyo resultado es un texto sólido y bien estructurado que se completa con nuevos contenidos y dibujos. A lo largo de sus 14 entradas, divididas en seis capítulos, se despliegan las diversas ramas de las matemáticas lográndose una visión global de esta ciencia. Los temas son tan variados como imprescindibles: el concepto abstracto y fascinante de infinito, los diferentes conjuntos de números, el sistema binario, las escalas de temperatura y de terremotos (¡gracias Mati!), la probabilidad, los porcentajes, el interés simple y compuesto, el número de oro, el código de César, la sucesión de Fibonacci, los fractales, la teoría de los cuatro colores, los diagramas de Voronoi, la teoría de grafos… Y todos ellos se presentan en escenarios tan cercanos y familiares como la ornamentación del Park Güell, las rebajas, las cuentas bancarias, los laberintos, las investigaciones detectivescas, los puentes de una ciudad, los mapas, la lotería, los ordenadores… En fin, el libro no hace otra cosa que permitirnos conocer mejor el mundo en el que vivimos.

Los protagonistas de los cuentos constituyen un pilar fundamental en las mateaventuras ya que seducen al lector al instante. Los principales compinches son dos hermanos con tanta inteligencia como desparpajo, que formulan todas las preguntas que pueden surgirnos y realizan comentarios ocurrentes que no tienen desperdicio: “Pero dime la verdad, esto del infinito os lo inventasteis los matemáticos porque estabais cansados de contar, ¿verdad?”. Mati, la protagonista de la historia, aparece cuando las mates necesitan entrar en acción. Nunca explica los conceptos a palo seco sino que, mediante una historia, logra que Sal y Ven entiendan de dónde vienen las cosas y las razonen. Finalmente, el personaje que pone la guinda al elenco es Gauss, una mascota singular donde las haya, independiente y capaz de arrancarnos siempre una sonrisa. En cada cuento, nos sentimos uno más de la pandilla de Mati, Sal, Ven y Gauss.

Y la pregunta es ¿quiénes han creado este universo matemático tan especial? Pues la respuesta, la historia de la creación de Mati, también parece un cuento. Así que, con vuestro permiso…

Clara Grima

Érase una vez dos niños, Salvador y Ventura, con mucho salero y una capacidad inmensa de cuestionárselo todo. Necesitaban respuestas razonadas muy alejadas de los “porque sí” que tantas veces se escuchan. Por ello, su madre Clara Grima (@ClaraGrima), doctora en matemáticas y profesora en el Departamento de Matemática Aplicada de la Universidad de Sevilla, empezó a saciar la curiosidad de los pequeños a través de una nueva forma de explicar matemáticas, sencilla y atractiva, mediante historias.

Mientras tanto, en tierras catalanas, la licenciada en filología inglesa, ilustradora y pintora Raquel Garcia Ulldemolins (@RaquelBerryFinn), que cuenta con un don especial para dibujar las situaciones más divertidas del mundo infantil, se había quedado prendada del ingenio de las frases de Salvador y Ventura. Quería que formasen parte de las expresiones recopiladas para sus Canallades. Mamen, una amiga de ambas, le había mostrado las perlas de los hermanos.

Raquel Garcia Ulldemolins

Al final, como en las mejores historias, Clara y Raquel se conocieron y, como era de esperar, sintonizaron a la perfección y decidieron crear a Mati. Clara pondría su inventiva y talento para convertir las matemáticas en cuento y Raquel su arte personal e inconfundible para hacer del cuento un universo con chispa y encanto, un lugar que os está esperando…

Ahora sólo falta que os atreváis a entrar en él:

“Seguir a Gauss es siempre el principio de una gran aventura… Perdón, de una gran mateaventura”

Todos los dibujos de la entrada son obra de Raquel Garcia Ulldemolins.

MATERIAL ADICIONAL QUE NO TE PUEDES PERDER

- Blogs de Mati: Mati y sus mateaventuras y Mati, una profesora muy particular.

- Inmejorable reseña de Enrique F. Borja (Fis) en Cuentos Cuánticos: El infinito, cerca, azul y de bolsillo

- Mati nos habla de su libro en Pequeño Libro de Notas: Y después de 40 historias, ciento veintiocho páginas de mateaventuras

- Mati se enfunda su camiseta Naukas y nos explica “Hasta el infinito y más allá”: Cuentos y cuentas para despertar… la curiosidad

- Entrevista a Clara y Raquel en el gran programa de ciencia y humor “Pa ciència, la nostra”, dirigido y conducido por Daniel Arbós i Màrius Belles: Programa 198

- Libros de Raquel Garcia Ulldemolins: Canallades y Canallades gràfiques (Pequeños granujas)

- Blog de Clara Grima en Jot Down: Perdonen si me derivo

- Blog de Raquel Garcia Ulldemolins: La Ra dibuixa

- Blog de Salvador Márquez Grima: Salva y sus aventuras

Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (Extras): “Atom Old and New”

Este post está dedicado, especialmente, a aquellos que leísteis las dos entregas de “Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (I y II)”. El visionado del documental que os presento no requiere su lectura pero creo que conocer las peripecias de los protagonistas permite disfrutarlo mucho más.

El vídeo se convierte en una máquina del tiempo que nos permite ser espectadores de muchos de los hechos que aparecían en las entradas, y descubrir, a su vez, algunas curiosidades que no figuraban en las mismas. Por ejemplo, la propia Mrs. Lawrence explica los detalles del inicio de su relación así como las implicaciones que el Premio Nobel supuso en la vida de su marido.

Durante el metraje aparecen imágenes de la mayoría de los físicos que citamos y, en varios momentos, se ve a Lawrence en plena acción. También se escucha su voz en algunos fragmentos de entrevistas radiofónicas de la época y se muestran los titulares de los periódicos de los que fue protagonista.

Otro complemento importante del documental son las entrevistas a personas muy cercanas a Lawrence tanto a nivel personal como profesional. Entrevistados como su hermano o integrantes destacados de sus laboratorios aportan su opinión sobre el carácter de Lawrence al tiempo que nos ofrecen su versión sobre algunos de los principales momentos.

Espero que os resulte tan interesante como me lo pareció a mí. Y ya, sin más dilación, os dejo con el documental producido por el Lawrence Livermore National Laboratory.

 

Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (II): Los muchachos del Rad-Lab

“Para quienes tuvieron la suerte de estar cerca de Lawrence, tanto a nivel personal  como científico, él siempre parecerá un gigante entre los hombres.” Luis W. Alvarez

Continuación de la entrada “Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (I): Nace el ciclotrón“

El primer modelo de ciclotrón  de Lawrence y Edlefson medía 11 cm de diámetro y aceleraba los iones de hidrógeno molecular a una energía de 80 keV (kiloelectronvoltios). Para el equipo de científicos de Lawrence la premisa estaba clara: cuánto más energéticas fuesen las partículas, más interesante sería la física que se crearía en el laboratorio. Así que, una vez probado el primer modelo, se apresuraron a construir un ciclotrón de 28 cm. En  la primavera de 1932, el dispositivo estaba acelerando protones hasta una energía de varios cientos de keV, que ahora sabemos que habría sido suficiente para aportar información de interés. Pero Lawrence y Livingston se habían fijado la meta del millón de electronvoltios y tenían demasiada prisa por alcanzarla. Por ello, no experimentaron con este ciclotrón sino que pasaron directamente a diseñar uno de mayor tamaño. El problema era que para aumentar las dimensiones se precisaba  más dinero y no era un buen momento para solicitarlo, ya que Estados Unidos aún sufría las consecuencias de la Gran Depresión. A pesar de que las Universidades se habían visto menos perjudicadas que otros segmentos de la sociedad, la propia Universidad de California, aún en 1933, tuvo que recortar en un tercio el presupuesto de investigación e impuso un programa de austeridad.

Afortunadamente, nuestro protagonista era una persona tremendamente persuasiva y todo un experto en buscar fondos así que logró patrocinadores para su nueva máquina: The Research Corporation y The Chemical Foundation.

El nuevo ciclotrón de 69 cm se construyó en un viejo edificio de madera de dos pisos, cercano a Le Conte Hall, el edificio del Departamento de Física en el que habían nacido los ciclotrones más pequeños. El Laboratorio de Radiación o Rad-Lab, derribado en 1959, marcó el punto de partida de lo que pasaría a llamarse la “Gran Ciencia” en la que se necesitaban grandes equipos multidisciplinarios de investigadores, equipamientos sofisticados, una estructura administrativa que coordinase las diferentes funciones e importantes aportaciones de capital. En este sentido, el viejo edificio fue el primer laboratorio de física nuclear moderna, donde los investigadores podían elegir entre colaborar en proyectos conjuntos o trabajar en los suyos propios, según considerasen más apropiado.

El edificio del Rad-Lab

El gran entusiasmo por la física que transmitía Ernest Lawrence se respiraba en el ambiente y permaneció en la memoria de todos los que tuvieron la fortuna de compartir la experiencia. La pasión por el desarrollo científico se traducía en trabajo duro. El laboratorio funcionaba las veinticuatro horas del día,  siete días a la semana y se consideraba que los que trabajaban “solo” setenta horas semanales no mostraban suficiente interés por la física. Los únicos periodos en los que estaba desierto eran durante las reuniones del “Journal Club” de Lawrence, los lunes por la tarde. En estas reuniones semanales los miembros del laboratorio intercambiaban ideas e información.

El ciclotrón de 69 cm del viejo laboratorio -más tarde convertido a 94 cm de diámetro polar- se empleó en el estudio de las transmutaciones artificiales inducidas por protones de alta energía. Después del descubrimiento del deuterio (átomo de hidrógeno con un protón y un neutrón en el núcleo) por Urey en 1932, se cambió el tipo de proyectiles y se observaron las primeras reacciones inducidas por deuterones. El problema era que los dispositivos de detección que se utilizaron en todos estos primeros experimentos eran cámaras de ionización y no tienen tanta sensibilidad a la radiación gamma, como los contadores Geiger.

El Grupo de Lawrence trató de fabricarlos en el Rad-Lab, pero todos adolecían de un excesivo ruido de fondo. Registraban una dosis superior a la esperada por el fondo de radiación natural, lo que atribuyeron a ruido electrónico debido a una baja calidad de su detector. Como consecuencia, tras varios intentos infructuosos de hacer detectores útiles, regresaron al uso de la cámara de ionización pero, en este caso, seguida por un amplificador lineal que aumentase la señal obtenida. Esta técnica entrañaba mayor dificultad, pero dominaban la electrónica asociada lo suficiente como para confiar en sus resultados. Finalmente, en el verano de 1932, dos amigos de Yale, Donald Cooksey y Franz Kurie, trajeron contadores Geiger que habían pasado los controles de calidad, en Berkeley, y los conectaron al ciclotrón, pudiendo reemprender las observaciones.

Matrimonio Joliot-Curie

En 1934, con el descubrimiento de la radiactividad artificial por el matrimonio Joliot- Curie, Ernest Lawrence y sus colaboradores comprendieron que el ruido de fondo que aparecía en los contadores que habían hecho se debía a un alto nivel general de radiactividad artificial en todo el laboratorio. Se atormentaron pensando que habían tenido esas substancias radiactivas delante de sus narices durante más de medio año sin darse cuenta. A su vez, también experimentaron una profunda frustración por no haber notado que las radiaciones no se extinguían inmediatamente después de acabar el bombardeo. Thornton, uno de los colaboradores más jóvenes, años más tarde recordaba que sintió que se les había escapado de las manos un descubrimiento histórico. Y lo peor es que, tal y como explicaron en la versión oficial, no lo habían observado  porque tenían conectado el ciclotrón y el contador Geiger al mismo interruptor. Después de enterarse del descubrimiento de la radiactividad artificial cambiaron el cableado y comprobaron el fenómeno. En realidad, a todos los miembros de la fraternidad de los aceleradores se les pasó por alto y esta inadvertencia era sintomática de la falta de fiabilidad general de todos los dispositivos de detección, junto a la gran complejidad de los propios aceleradores. Así pues, el Grupo del Ciclotrón estuvo bien acompañado en lo que a pérdida de descubrimientos se refiere.

De hecho, a los propios Irene Curie y Frederic Joliot se les escapó la existencia del neutrón que  Chadwick determinó a partir de los datos experimentales del matrimonio, la del positrón y a punto estuvieron de desestimar el cambio en la tasa de conteo de su primera fuente radiactiva artificial atribuyéndolo a un comportamiento errático de su contador Geiger. A partir de la comunicación del descubrimiento, todos los equipos de aceleradores que entonces operaban en el mundo detectaron decenas de especies radiactivas.

Otro fenómeno que se les escapó a los científicos que trabajaban en aceleradores fue el de la radiactividad inducida por neutrones descubierto por el físico italiano Enrico Fermi y sus colaboradores. 

Ernest Lawrence, desde el principio, sintió gran interés por la aplicaciones médicas y biológicas de las radiaciones del ciclotrón y de las sustancias radiactivas que producía, por ello, siempre dio especial relevancia al valor de la intensidad del haz (número de partículas por unidad de tiempo) y trabajó fervientemente para conseguir que todos sus aceleradores produjesen intensas corrientes de iones acelerados. Para un físico en el laboratorio el valor de la intensidad no era tan problemático, ya que si éste no era suficientemente elevado se podía recurrir al uso de detectores de mayor sensibilidad. Por el contrario, en medicina, el receptor es el paciente y si los niveles de radiación eran demasiado bajos, los efectos biológicos deseados no se producían. En 1937 ya había logrado aumentar la intensidad del ciclotrón hasta 100 microamperios (µA), a 8 millones de eV. Otros constructores de aceleradores de este período se quedaron con 1 µA a 1 millón de eV. Cada vez que los jóvenes científicos del laboratorio estaban seguros de que el ciclotrón había alcanzado su máxima intensidad, Lawrence encontraba el modo de que funcionase diez veces mejor de lo que nadie había sospechado. Fue el mejor operador de ciclotrón de este período, pudiendo conseguir más intensidad de haz que nadie.

El ciclotrón de 94 cm que fue empleado para aplicaciones médicas

Siguiendo sus deseos de profundizar en el campo de la física médica, fichó a su hermano John Lawrence para estudiar el uso de radioisótopos en la investigación biológica y médica y promovió su empleo como trazadores. Asimismo, incluyó en el programa médico del Laboratorio de los años 1938 y 1939, un día de tratamiento semanal a pacientes con cáncer terminal, con los neutrones del ciclotrón de 94 cm. El Rad-Lab también se comprometió a suministrar los materiales necesarios para los programas experimentales de muchos departamentos de la Universidad de California, sintiendo gran satisfacción con los descubrimientos logrados por los científicos de otras disciplinas. Fue el pionero en la colaboración entre físicos y biólogos que más tarde se generalizaría, cuando los isótopos radiactivos estuvieron ampliamente disponibles tras la construcción del primer reactor nuclear.

Lawrence había sido el primero en introducir la colaboración interdisciplinar en su laboratorio y ahora ampliaba la idea compartiendo los frutos de su arduo trabajo con los colegas de diferentes áreas científicas. Todos los grupos dedicados a aceleradores pudieron disfrutar de su maestría en obtener un constante aumento de la energía máxima de los haces acelerados. Pero, tal y como hemos visto, Lawrence consideraba que su gran logro había sido conseguir las mayores intensidades del haz. Señalaba que el descubrimiento del carbono-14, por Rubin y Kamen, no se hubiese podido conseguir en cualquier otro laboratorio con las técnicas entonces disponibles.

Por lo que al desarrollo de aceleradores se refiere, en 1939 pudo poner en marcha el ciclotrón de 152 centímetros, que instaló en el nuevo Laboratorio de Radiación Crocker, y en 1940, consiguió la autorización del ciclotrón de 467 centímetros y una donación de 1,25 millones de dólares de la Fundación Rockefeller para construirlo. Sin embargo, antes de que pudiese iniciar los trabajos del “ciclotrón gigante”, como Ernest le llamaba, estalló la Segunda Guerra Mundial y asumió la responsabilidad de reunir a un grupo de jóvenes físicos nucleares para ayudar a los británicos a “luchar en la guerra científica.”

También persuadió a Lee DuBridge, para que dejase su propio ciclotrón en Rochester, y encabezase el embrionario Laboratorio de Radiación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. De su propio laboratorio reclutó a McMillan, Salisbury y Alvarez. El laboratorio de radiación del M.I.T. inició su andadura en Noviembre de 1940 y, desde entonces, ha realizado grandes contribuciones al desarrollo de la física. Durante su primer año, Lawrence lo visitó de forma periódica y se mantuvo al corriente de sus actividades pero pronto se hizo evidente que el laboratorio se sostenía por sí mismo y no necesitaba su supervisión.

Massachusetts Institute of Technology

En el verano de 1941, Lawrence tomó parte en el programa de guerra antisubmarina actuando, una vez más, como el principal agente de reclutamiento para los nuevos laboratorios de sonido, y convenció a McMillan para que  dejase el M.I.T. para ir a San Diego.

En septiembre de ese mismo año recibió la propuesta de Arthur Compton y James Conant para participar en la construcción de la bomba atómica. Tal y como contó Compton, después de dudar unos instantes, les respondió que si ellos le decían que ese era su trabajo, lo haría. Así que se dispuso a resolver el principal obstáculo con el que había tropezado el Proyecto Manhattan: la separación del isótopo uranio-235, necesario para la fabricación de la bomba, del uranio ordinario U-238.

Diagrama de la separación de los isótopos de uranio en el Calutron

Lawrence sugirió separarlos en base a la pequeña diferencia entre sus masas, ya que ésta haría que, como partículas cargadas, sufrieran deflexiones diferentes sometidas a un campo magnético. Para ello convirtió el ciclotrón de 94 centímetros y el imán de 467 centímetros en un espectrómetro de masas. En 1942 ya tenía un prototipo denominado Calutron (concatenación de Cal. U.-tron, en tributo a la Universidad de California). El general de la armada Norteamericana Leslie Groves ordenó construir calutrones a escala industrial y preparó una planta con 96 unidades en Oak Ridge, Tenesse. Los muchachos del Rad-Lab visitaban con frecuencia la planta para enfrentarse a las dificultades técnicas y solucionarlas. De hecho, de 1941 hasta 1945 trabajaron 24 horas diarias en este tema. Dadas las corrientes de iones requeridas en el Calutron, Lawrence comentó entre sus allegados que su gran preocupación por incrementar la intensidad del haz fue lo que había hecho posible el Proyecto Manhattan. No se trataba de una fanfarronada ni de un desprecio a los logros de los demás científicos. Dada su mucha experiencia lidiando con funcionarios gubernamentales de alto nivel, sabía que el proyecto no habría podido “venderse” a menos que hubiera una “manera segura” de obtener material fisionable, antes de que terminara la guerra. Y el Calutron había cumplido con dichas necesidades suministrando, casi en su totalidad, el U-235 empleado en la bomba de Hiroshima. Los procesos de difusión térmica y de difusión gaseosa contribuyeron sólo en una forma menor al proceso total de separación de los isótopos para la primera bomba.

Calutron

En el periodo de postguerra Lawrence pudo retomar las investigaciones que estaba llevando a cabo en tiempos de paz y persuadió al general Groves para que autorizase que los fondos del Proyecto Manhattan fuesen puestos a su disposición. Una vez concedido el aporte de capital, volvió a reunir al equipo de Berkeley de antes de la guerra con la incorporación de nuevos talentos. La primera decisión que tomó se refirió a su ciclotrón gigante, cuya fabricación se había visto interrumpida por la guerra. Lo reconvertiría en un sincrociclotrón. La parada forzosa había sido positiva ya que en ese tiempo McMillan en USA y Veksler en la URS habían desarrollado el sincrotrón que estaba formado por un anillo circular y requería campos eléctricos y magnéticos variables. Inspirándose en la base física de éste último diseñó su sincrociclotrón cuya frecuencia del campo eléctrico variaba para compensar los efectos relativistas. Utilizando protones como proyectiles, la energía se elevaría a 350 MeV, en lugar del anterior valor de diseño para el ciclotrón convencional que era de unos 70 MeV.

El sincrociclotron

El pequeño inconveniente era que nadie había construido un sincrociclotrón y desconocían a qué problemas deberían enfrentarse. Así que decidieron ser precavidos y reconstruir primero su viejo ciclotrón de 94 centímetros como sincrociclotrón.  Por fortuna, todo salió bien y contaron con el primer sincrociclotrón del mundo que resultó ser mucho más sencillo de construir y operar que el ciclotrón convencional que habían propuesto originalmente. Concluidas las pruebas iniciales, el sincrociclotrón de 467 centímetros aceleró, a finales de 1946, deuterones a 180 MeV y núcleos de helio a 360 MeV.

A partir de ese momento, las nuevas actividades del laboratorio fueron obra, principalmente, de los investigadores más jóvenes que dirigieron grandes proyectos contando, durante los primeros años de postguerra, con respaldo financiero ilimitado gracias al “cheque en blanco” del Proyecto Manhattan. Lawrence manifestaba un profundo interés por lo que hacían pero se mantenía a distancia, dejándoles claro que debían tomar sus propias decisiones y encontrar el método de resolver los problemas.

Con la terminación del sincrociclotrón de 467 centímetros, Lawrence pudo volver a dedicar todas sus horas a la investigación científica básica. Llevaba demasiado tiempo sin implicarse en ningún experimento en particular y se entregó con completa devoción a esta nueva etapa. No se limitó a investigar sobre física nuclear, sino que extendió su interés a los programas de fotosíntesis, física médica y química nuclear. Los muchachos del Rad-Lab que siempre lo habían visto como director, disfrutaban contemplando la pasión y dedicación que manifestaba, las horas que pasaba en el laboratorio cada noche y los fines de semana, cómo paseaba por otros laboratorios y hablaba con cada uno de los ayudantes de investigación o con los profesores visitantes. El personal se había multiplicado por cien pero todos se sentían miembros “del equipo de Ernest Lawrence”, y no simples empleados del laboratorio de radiación.

En 1948, William Brobeck convenció al laboratorio de que un sincrotrón de protones podría alcanzar energías de Gigaelectronvoltios. Lawrence, asumió la responsabilidad de asegurar su financiación y se presentó ante  la Comisión de Energía Atómica para recabar fondos para el “Bevatron” que reportó importantes descubrimientos, como el del antiprotón.

Por lo que al armamento nuclear se refiere, después de que la Unión Soviética probase su primer artefacto nuclear, Lawrence abandonó su oposición a la bomba de hidrógeno auspiciada por el Presidente Truman y se embarcó en un gran proyecto de construcción de aceleradores lineales, para favorecer su desarrollo. El problema es que Lawrence pensaba tan a lo grande que el precio de su dispositivo generador de neutrones ascendía a la bonita cifra de veintiún millones de dólares de 1952, por lo que se eligió una fuente de neutrones más barata.  

Sin embargo el esfuerzo no cayó en saco roto. La fabricación de la bomba de hidrógeno era una empresa de gran envergadura y el laboratorio de Los Álamos ya no contaba con recursos personales para darle cabida. Por ello, Lawrence, propuso al comité de energía atómica la aprobación para establecer un segundo laboratorio de armas nacionales en Livermore, bajo la promesa de que el personal de Berkeley supervisaría el trabajo. Argumentó que el progreso científico se veía mermado por la falta de competencia de Los Álamos. Cuando cancelaron su proyecto para la bomba-H, el nuevo laboratorio ya estaba en marcha y fue un complemento de Berkeley hasta 1971, en que pasó a denominarse Laboratorio Lawrence Livermore.

Vista aérea del Lawrence Livermore National Laboratory

En 1954, la prueba de un dispositivo nuclear por parte de Estados Unidos provocó lluvia radiactiva más allá de los límites geográficos establecidos y se creó una gran controversia. Lawrence se mostraba a favor de las pruebas nucleares porque no creía que debieran dejar de hacerse si los rusos seguían practicándolas y, principalmente, porque creía que era un imperativo moral buscar bombas “limpias” que pudiesen utilizarse en una guerra nuclear sin causar las muertes que se producían hasta entonces por la lluvia radiactiva. Llegó incluso a exponer al presidente Eisenhower que la falta de desarrollo de tales armas constituiría un “crimen contra la humanidad”.

Su implicación en estos temas le valió el nombramiento como delegado americano de una Conferencia de Expertos Internacionales para estudiar una propuesta de Tratado con la Unión Soviética con el fin de prohibir las pruebas de armas nucleares. Durante la conferencia, sufrió un brote grave de la colitis crónica que padecía y fue trasladado de urgencia a un hospital de Standford para practicarle cirugía. Murió el 27 de agosto de 1958, a los 57 años de edad. Unos días antes de su muerte Eisenhower anunció una moratoria de las pruebas de armas nucleares por parte de Estados Unidos.

La herencia de Lawrence no son tan sólo sus múltiples descubrimientos, sino el impulso a una nueva manera de investigar, de enfrentarse a grandes retos con equipos interdisciplinarios: el inicio de la Gran Ciencia. 

 BIBLIOGRAFÍA

“Lawrence and His Laboratory: A Historian’s View of the Lawrence Years” J. L. Heilbron, Robert W. Seidel, y Bruce R. Wheaton.

“Early history of the lab” Glenn Seaborg

 “Ernesto Orlando Lawrence” Luis W. Alvarez

Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (I): Nace el ciclotrón

 

“Lawrence siempre será recordado como el inventor del ciclotrón, pero debería ser recordado como el inventor de la manera de hacer ciencia moderna”. Luis Alvarez

Ernest Orlando Lawrence nació el 8 de agosto de 1901 en Cantón, Dakota del sur. Sus padres Gunda Jacobson y Carl Lawrence se habían casado un año antes y, por aquel entonces, enseñaban en una academia luterana local.  Inculcaron a sus hijos el valor de la responsabilidad, el trabajo duro y la educación. La elección de su nombre parece provenir de una tradición Noruega según la cual se ponía a los niños los nombres de los abuelos. En su caso eran Erik y Oles, que el padre juzgó demasiado noruegos y modificó hasta dejarlos irreconocibles.

Desde pequeño mostró una curiosidad incesante y, según afirmaba su madre, nunca abandonó el entusiasmo juvenil que hacía que tomase la vida como una aventura continua llena de emociones. Con su vecino y amigo Merle Tuve, construyeron a los trece años una estación de radio de onda corta y la experiencia obtenida dio importantes frutos en la etapa de madurez. Lawrence, por su parte, aplicó la técnica de radio de onda corta en su acelerador de partículas de alta energía, mientras que Tuve, junto a Breit, fue el primero en reflejar impulsos de radio de onda corta en la ionosfera, lo que condujo directamente al desarrollo del radar. En los años treinta, Lawrence y Tuve lideraron sendos equipos de físicos nucleares, lo que les llevó a recuperar una rivalidad de adolescencia que rindió grandes beneficios al desarrollo de este campo.

Lawrence ingresó en la Universidad St. Olaf de Northfield, Minnesota, a los dieciséis años, y un año más tarde, se trasladó a la universidad de Dakota del Sur para obtener el grado. Consiguió el dinero necesario para ir a la universidad vendiendo artículos de cocina a las mujeres de los agricultores de los condados circundantes. Su intención era estudiar medicina pero finalmente se inclinó por la física gracias a los consejos del profesor de ingeniería eléctrica que le hacía de tutor: Dean Lewis E. Akeley, que vio en sus pinitos adolescentes con la radio una clara inclinación por esta materia. Una vez conseguido el bachiller con altos honores en 1922, ingresó en la universidad de Minnesota como estudiante de postgrado. En la pared de la oficina de Lawrence, el cuadro de Dean Akeley siempre estuvo en el lugar de honor entre las fotografías de sus héroes científicos: Arthur Compton, Niels Bohr y Ernest Rutherford.

En Minnesota, cursó estudios de física avanzada bajo la dirección de William Francis Gray Swann, al cual siguió las dos veces que cambió de universidad. Primero se trasladó a Chicago y, posteriormente, a Yale, donde Lawrence se doctoró en física en 1925 y permaneció tres años más, primero como investigador nacional (national research fellow) y, finalmente, como profesor ayudante. En esa época conoció a Mary Blummer, hija del Dr. George Blumer, Decano de la Facultad de Medicina de Yale, que años más tarde se convertiría en su mujer y con quien tendría seis hijos: Eric, Margaret, María, Robert, Barbara y Susan. Molly Lawrence se haría famosa entre los colegas de Ernest por crear un ambiente familiar cálido y hospitalario.

Durante este periodo en Yale, sus compañeros consideraban que Lawrence sentía una cierta aversión hacia el pensamiento matemático. Contaba con una inusual intuición para abordar los fenómenos físicos, de manera que cuando le presentaban nuevas ideas reclamaba que le ahorrasen las ecuaciones matemáticas y le explicasen la física del problema. Incluso personas cercanas a él pensaban que era un analfabeto matemático cuando en realidad, gracias al aprendizaje con el profesor Swann, conservaba una gran pericia en las matemáticas empleadas en electricidad y  magnetismo. Ésta fue la única herencia de sus profesores, ya que tanto lo que descubrió como el modo en que lo hizo provinieron únicamente de su propio talento y sagacidad.

En 1928, tomó una importante decisión. Abandonó su posición en una universidad rica y distinguida como la de Yale para ser profesor asociado en la pequeña facultad de Berkeley cuyo departamento de física era de reciente creación. Estaba ansioso por hacerse cargo del nuevo departamento y participar en su desarrollo. Además, sabía que el traslado suponía una disminución de horas de docencia respecto a un incremento en el tiempo dedicado a la investigación, que era lo que verdaderamente le apasionaba. La elección fue acertada y en tres años, se convirtió en el catedrático más joven de Berkeley.

Valoraba por encima de todo la honestidad en la investigación científica y examinaba de forma crítica cualquier resultado científico, con independencia de su origen. Aplicaba el mismo criterio crítico para revisar su obra, la de sus colaboradores, así como la de los científicos de otros laboratorios. Este comportamiento hacía que los visitantes, en ocasiones, se formasen una primera impresión negativa de Lawrence creyendo que era excesivamente crítico con los resultados experimentales de los demás. Pero pronto se daban cuenta de que empleaba el mismo vigor para animar a sus jóvenes alumnos a criticar su propio trabajo, ya que para él la crítica no era una cuestión personal y la hacía o la recibía sin ningún sentimiento de hostilidad. Pensaba que una comunidad científica que no alentase a sus miembros a criticar los resultados de los demás de una manera abierta degeneraría rápidamente en una asociación de diletantes.

Poco antes de abandonar Yale, había tenido una experiencia que sólo conocían sus más allegados y que fue importante en su desarrollo científico. Aplicando su experiencia en fotoelectricidad y en el tubo de rayos catódicos diseñó un sistema electrónico de televisión sin disco giratorio (disco de Nipkow). Creyéndose el primero en descubrirlo creó un modelo rudimentario y contactó con un amigo de los laboratorios de Bell Telephone que le invitó a hablar sobre su hallazgo. Por desgracia, una vez en los laboratorios, vio que estaba lleno de televisores electrónicos mucho mejores de lo que él había imaginado y se dio cuenta de hasta qué punto un buen laboratorio industrial podía estar por delante de los trabajos de investigación individuales. Eso le hizo reflexionar y decidió no dedicar más esfuerzos a competir en el área comercial. Mantuvo esta resolución hasta la última década de su vida, en la que aportó grandes contribuciones al problema de la televisión en color desarrollando el “Tubo de Lawrence” y publicando docenas de patentes.

Llegados a este punto, es interesante analizar la actitud de Ernest Lawrence hacia las patentes y las recompensas económicas de las mismas. El Ciclotrón y las otras invenciones de Lawrence de la época de preguerra fueron patentadas a su nombre y asignadas por él a la Corporación de Investigación que nunca pidió royalties. Lawrence animó y ayudó a los científicos en todo el mundo a construir ciclotrones. Legalmente, fue el inventor del separador de isótopos Calutrón, pero asignó la patente al gobierno por el valor nominal de un dólar. Respecto al proyecto de la bomba atómica, varios de de sus colegas recibieron grandes sumas de dinero del gobierno por la violación de sus patentes, pero Lawrence nunca permitió que su nombre fuese utilizado en ningún litigio y por lo tanto, no recibió ninguna compensación más allá de su salario. Creía que era desaconsejable patentar los inventos científicos o desarrollos para provecho personal y siempre apoyó la necesidad de trabajar en estrecha colaboración en un ambiente de libre intercambio de ideas. Le preocupaba que el anhelo por conseguir patentes repercutiese en el progreso científico. Tal y como expresaba, una persona no hablaría de sus ideas ante alguien que pudiese ampliarlas y lucrarse a posteriori con una patente.

Su nombre está tan ligado al campo de la física nuclear que a menudo se olvidan las importantes contribuciones que realizó en otras ramas de la física antes de inventar el ciclotrón. Para valorar su aportación en estos otros campos contamos con la literatura de la época así como con las múltiples referencias a sus investigaciones por parte de sus compañeros. Sus trabajos en fotoelectricidad, que publicó junto a sus alumnos una vez trasladado a California, fueron citados en el tratado de fotoelectrónica de Hughes y Du-Bridge “Photoelectric Phenomena” que se publicó en 1932, poco después de que Lawrence hubiese dejado este campo para concentrar sus esfuerzos en el ciclotrón. El número de apariciones en los diferentes capítulos hace evidente el gran alcance que tuvieron sus investigaciones en los pocos años que se dedicó a ellas.

Uno de sus colaboradores  en sus estudios sobre fotoelectricidad fue Beams de Jesse y, como resultado de esta colaboración, se convirtieron en grandes amigos y pasaron un verano recorriendo Europa. Lawrence, con frecuencia, recordaba con nostalgia este período de su vida, en el que podía viajar libre de las responsabilidades que más adelante marcaron sus giras en el extranjero.

VIAJE AL CENTRO DEL NÚCLEO

Ernest Rutherford

En el período en que Ernest Lawrence se trasladó de New Haven a Berkeley, se respiraba un ambiente de entusiasmo entre los físicos por las noticias de los logros obtenidos en los experimentos de física nuclear del laboratorio Cavendish de Lord Rutherford en Cambridge. La técnica empleada para profundizar en la estructura de la materia y descubrir el núcleo atómico había sido el bombardeo de una lámina de oro con partículas alfa provenientes de la desintegración del radio [artículo de Cuentos Cuánticos]. Estaba claro que una parte importante del futuro de la física residía en el estudio de las reacciones nucleares y, si no se dedicaron a ello más científicos, fue por las complejas condiciones experimentales requeridas. Por aquel entonces las partículas alfa eran el único medio de que se disponía para perturbar de manera controlada la materia y para su producción se estaba a merced de elementos que fuesen radiactivos de forma natural. Esta limitación se hizo más notoria cuando Rutherford abrió el campo de las transformaciones nucleares mediante la conversión del nitrógeno en oxígeno mediante la absorción de una partícula alfa. Las fuentes radiactivas de que se disponía eran demasiado débiles para seguir penetrando en los misterios de los núcleos. Por cada gramo de radio se emitían 37000 millones de partículas alfa por segundo, de las cuales sólo una de cada 100000 producía una transformación. Por otra parte, las energías de las partículas alfa apenas eran suficientes para superar la repulsión eléctrica de los núcleos a los que se dirigían. El grupo de Rutherford en Cavendish descubrió que cuanto más rápidamente viajaban las partículas alfa, más transformaciones generaban y, por tanto, era urgente conseguir máquinas que aumentasen el número y velocidad de las partículas. Y como estaban cargadas, una forma era someterlas a fuertes diferencias de potencial. De esta manera, empezaba la carrera por la producción de esos proyectiles de alta energía, las “partículas nucleares de millones de voltios.”

En la carrera por descubrir los secretos de la materia, Robert Van de Graaff, mientras hacía un postdoctorado en Princeton, concibió un dispositivo para generar un alto voltaje partiendo de simples  principios de electrostática. En su acelerador electrostático una correa de material aislante llevaba las cargas eléctricas a partir de un punto de origen al interior de una gran esfera conductora hueca, aislada. Asimismo, otra correa transportaba cargas de polaridad opuesta a otra esfera. Las esferas acumulaban un potencial creciente hasta que el campo eléctrico ionizaba el aire y saltaba una chispa a través del mismo. Antes de 1931 Van de Graaff pudo cargar una esfera a 750 kilovoltios, generando una diferencia de potencial de 1,5  Megavolts entre las dos esferas de polaridad opuesta. El generador electrostático tenía sus limitaciones ya que, para acelerar partículas a energías de unos GeV (10⁹ eV), las tensiones puestas en juego eran de unos mil millones de voltios. Con estas tensiones, el aire se ioniza, se vuelve conductor y se produce un enorme chispazo quedescarga los condensadores y puede destruirlos. Lawrence, que había dedicado muchas horas al estudio de las descargas de chispa con el obturador electro-óptico basado en el efecto Kerr sentía mucho respeto por ese mecanismo como limitador de tensión. Siguió el trabajo inicial de Van de Graaff pero no entró en el “negocio nuclear” debido a cierta reticencia respecto los caminos que se estaban tomando para crear los proyectiles energéticos.

Acelerador de Robert Van de Graaff

Al mismo tiempo, en el laboratorio de Cavendish en Cambridge, los ingleses John Cockcroft y Ernest Walton, discípulos de Rutherford, construyeron una variante de este acelerador sustituyendo la correa por un sistema de condensadores conectados con diodos rectificadores que actuaban como interruptores. Abriendo y cerrando los interruptores en la secuencia apropiada se podía alcanzar un potencial de 800 kilovoltios a partir de un transformador de 200 kilovoltios y utilizaron este potencial para acelerar protones en un tubo de vacío de 2,40 metros de largo. En 1932 bombardearon un blanco de litio con protones acelerados a 0.125 MeV, observando la formación de dos partículas alfa. Un equipo soviético en Jarkov encontró el mismo resultado varios meses más tarde.

Acelerador de John Cockcroft y Ernest Walton

Unos años antes, al comienzo de su licenciatura en Berkeley, Lawrence pasaba muchas de sus tardes en la biblioteca. Y fue allí fue donde, en la primavera de 1929, dio con un artículo de la revista alemana para ingenieros eléctricos Archiv für Elektrotechnik que le llamó poderosamente la atención. Su alemán, al igual que el francés, dejaba mucho que desear pero los diagramas eran suficientemente explícitos para poder entender la parte fundamental de su contenido. El autor era el ingeniero noruego  Rolf Wideröe y el título podría traducirse como “Sobre un nuevo principio para la producción de voltajes más altos”. Una de las ilustraciones mostraba el dispositivo que Wideröe había empleado para acelerar los iones de potasio a partir de un esquema propuesto anteriormente por Gustav Ising en Suecia. En su diseño, un potencial de 25.000 voltios alternaba de positivo a negativo con frecuencias de radiodifusión. Los iones eran atraídos al interior de un electrodo cilíndrico recto mediante un potencial negativo y, al emerger del tubo, eran impulsados desde el otro extremo por un potencial positivo. Se podrían añadir más cilindros, cada uno más largo que el anterior, de manera que fuese incrementándose la velocidad de las partículas y se lograsen energías más altas.

Acelerador de Rolf Wideröe

Dadas las dificultades con el idioma, Lawrence pensó que le costaría más traducir el documento que deducir él mismo sus resultados a partir de la información extraída de las imágenes. Y estaba en lo cierto, ya que tuvo la satisfacción de llegar de forma independiente a muchas de las conclusiones de Wideröe. Y no se quedo ahí, sino que fue más allá y, tras el análisis del esquema, le asaltó “la idea” de  curvar la trayectoria de las partículas mediante un campo magnético y convertir así el acelerador lineal en un acelerador en espiral. El ciclotrón acababa de ser engendrado. (Patente del ciclotrón)

Pensó que el campo magnético debería tener alguna relación con el radio de la órbita, de manera que el tiempo empleado por un ión en completar una revolución permaneciese constante a medida que el radio aumentase.  Pero se equivocaba. Mediante un  cálculo sencillo pudo demostrar que no era necesaria ninguna variación radial del campo magnético ya que los iones circulan con una frecuencia constante, independientemente de su energía. Es decir, que los iones lentos en los pequeños círculos tardan el mismo tiempo en dar la vuelta que los iones rápidos en los círculos mayores. Veamos porqué.

La fuerza magnética que actúa sobre una partícula cargada sometida a un campo magnético H perpendicular a su dirección de desplazamiento, tiene un módulo igual a qvH/c, donde q es la carga y c la velocidad de la luz. En el caso del ciclotrón esta fuerza proporciona la fuerza centrípeta necesaria para obtener el movimiento circular: mv²/r, donde m es la masa de la partícula, v su velocidad y r el radio de la órbita. Si se igualan ambas expresiones se obtiene lo que se conoce como la ecuación de ciclotrón: v/r = qH/mc

Sabiendo que la velocidad angular ω es v/r y que puede expresarse en términos de frecuencia de rotación f de la forma  2πf, obtenemos que: f = v/2π r = qH/2πmc lo que indica que la frecuencia de rotación es independiente del radio de la órbita y constante para una partícula y un campo magnético dados.

Así pues, el método circular permitiría que un campo eléctrico alterno de frecuencia constante acelerara las partículas a energías cada vez más altas. Afortunadamente para Lawrence, en la década de 1930 ya se podía disponer de componentes electrónicos apropiados para la banda de frecuencia de 10 MHz (valor que se obtiene al sustituir en la ecuación del ciclotrón el valor de e/m para el ion de hidrógeno molecular). Antes de seguir, debemos precisar que la ecuación de ciclotrón tiene sus limitaciones ya que únicamente es válida en el caso de que las velocidades sean suficientemente bajas como para que no aparezcan efectos relativistas, en cuyo caso la frecuencia ya no es independiente del radio y el diseño del acelerador se complica.

La parte interna del ciclotrón está formada por dos cámaras metálicas de forma semicilíndrica huecas D1 y D2 llamadas “dees” (por su similitud con la letra D) separadas la una de la otra en el seno de un campo magnético uniforme y perpendicular al plano de las “dees”. Ambas están conectadas a los bornes de un circuito eléctrico que crea una diferencia de potencial alterna de frecuencia f.

Inicialmente, la partícula cargada q emitida por la fuente de iones (punto azul) entra en D1 con velocidad v1 debido a la aceleración que le produce al campo eléctrico existente entre las dos des y bajo la acción del campo magnético describe una circunferencia de radio r1. Al salir de D1 es acelerada entre las dos “dees” debido a la inversión del campo eléctrico y entra en D2 con una velocidad v2 > v1 describiendo una circunferencia de radio r2 > r1, y así sucesivamente hasta ser expulsada por un sistema de deflexión situado en la periferia de una “de”  

Lawrence percibió inmediatamente la importancia de la idea y decidió traer a David Sloan a Berkeley. Era un joven experto en electrónica de los Laboratorios de General Electric en Schenectady con experiencia en el trabajo con altas tensiones. Mientras Lawrence construía el ciclotrón, Sloan se había dedicado al acelerador lineal de Wideröe. Finalmente el aparato de Sloan, en mayo de 1931, llegó a acelerar iones de mercurio a  energías de 1 millón de voltios. Este trabajo proporcionó a Lawrence y sus estudiantes conocimientos que más tarde se aplicarían a los ciclotrones. Sloan, sin embargo, dejó el acelerador lineal a un lado para desarrollar un transformador resonante, que sirvió para producir una potente fuente de rayos X que fue de gran interés para hospitales. Seguramente, una de las mayores satisfacciones de Ernest Lawrence fue la curación de su madre mediante un tratamiento de radioterapia con la máquina de rayos X “Sloan-Lawrence” de 1 millón voltios de la Facultad de Medicina de la Universidad de California, después de que muchos especialistas dijesen que tenía un tumor inoperable. En el momento de la muerte de su hijo, ella todavía vivía en Berkeley, veintiún años después de que el Dr. Robert Stone la tratase.

El primer acelerador circular de 11 cm de diámetro, usaba un potencial de 1800 V para acelerar iones de hidrógeno a energías de 80 keV y sirvió para verificar el principio de funcionamiento. Apenas un año más tarde se alcanzaba una energía de 1 MeV con un ciclotrón de 28 cm.

El empeño de Lawrence en hacer realidad el ciclotrón, que muchos físicos habían ridiculizado por impracticable, le llevó a resolver importantes obstáculos técnicos por medio de descubrimientos experimentales. Por un lado, se requería un alto grado de vacío para impedir que las partículas chocasen con moléculas del gas residual, apartándose de su trayectoria. Así mismo debía evitarse que se desviasen al cruzar el espacio entre electrodos o, lo que sería un problema mayor, que abandonasen el plano horizontal de sus órbitas y colisionasen con la parte superior o inferior de los electrodos. Lawrence y sus compañeros de trabajo, M. Stanley Livingston y David Sloan, desarrollaron y construyeron sus propias bombas de vacío y válvulas osciladoras de alta potencia, porque no se hallaban disponibles en el mercado a un precio asequible. También hicieron grandes avances en el incremento de la potencia de los osciladores de radiofrecuencia así como en el magnetismo de los imanes.

Lawrence es conocido por la aplicación de la ecuación del ciclotrón a la física nuclear, pero también hizo una contribución destacada a la física de partículas al emplearla para idear el método más preciso de medición de la carga específica, e/m, del electrón. Este procedimiento fue empleado por Frank Dunnington, uno de sus estudiantes, y durante muchos años fue la medida más exacta de esta constante fundamental.

La primera demostración y puesta de largo del principio de resonancia del ciclotrón la hicieron Lawrence y Edlefson en la reunión de la Academia Nacional de Ciencias de Berkeley, en otoño de 1930. El aparato original está expuesto de forma permanente en el Laboratorio de Radiación Lawrence.

A partir de este momento, el Grupo de Lawrence inició la carrera por la búsqueda de mayores ciclotrones que produjesen partículas con mayores energías. En 1939, Lawrence se convirtió en el primer profesor de una universidad pública en ganar un premio Nobel así como la primera persona en hacerlo por un trabajo realizado enteramente en el campus de la Universidad de California. Ganó el premio de física en reconocimiento por su invención del ciclotrón, su desarrollo y los resultados que obtuvo, especialmente con referencia a la producción de elementos artificialmente radiactivos.

Pero las aventuras del Grupo del Ciclotrón nos esperan en el siguiente capítulo…. Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (II): Los muchachos del Rad-Lab 

BIBLIOGRAFÍA

“Lawrence and His Laboratory: A Historian’s View of the Lawrence Years” J. L. Heilbron, Robert W. Seidel, y Bruce R. Wheaton.

“Early history of the lab” Glenn Seaborg

 “Ernesto Orlando Lawrence” Luis W. Alvarez