EllagoEdiciones

Momentos estelares de la física

Thomas Bührke

Traducción de Marta Mabres

EllagoEdiciones · Colección Las Islas

5Índice

ÍndiceEdición a cargo de Francisco Villegas

Colección Las Islas

Título original: Sternstunden der Physik © beckschereihe

Primera edición: octubre 2010© del autor: Thomas Bührke© de la traducción: Marta Mabres

Maquetación: Ramón Pais Martínez

© de la ediciónEllago Ediciones, S. L.ellagoediciones@ellagoediciones.com / www.ellagoediciones.com(Edicións do Cumio, S. A.)A Ramalleira, 5 - 36140 Vilaboa (Pontevedra)Tel. 986 679 035cumio@cumio.com / www.cumio.com

Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse de ninguna forma, ni por ningún medio, sea éste eléctrico, químico, mecánico, óptico, de gra-bación o de fotocopia, sin la previa autorización escrita por parte de la Editorial.

ISBN: 978-84-96720-98-5Impresión: Mongraf Artes GráficasDepósito legal: VG 908 - 2010Impreso en España

Prólogo .......................................................................................................................... 11

«En vista de ello creo que, de anularse por completo la resistenciadel aire, todos los cuerpos caerían exactamente a la misma velocidad»

Galileo Galilei (1564-1642) .................................................................... 17

«Si he visto más lejos es porque estoy de pie sobre hombros de gigantes» Isaac Newton (1642/43-1727) ............................................................... 33

«¡Transforma magnetismo en electricidad!» Michael Faraday (1791-1867) ................................................................ 49

«¿Fue un dios quien trazó estos signos?» James Clerk Maxwell (1831-1879) ..................................................... 69

«¡Newton, perdóname!» Albert Einstein (1879-1955) .................................................................. 93

«Un acto de desesperación» Max Planck (1858-1947) .......................................................................... 117

«Los llamaré rayos de uranio» Henri Becquerel (1852-1908) ................................................................ 139

«¡Ahora ya sé cómo es un átomo!» Ernest Rutherford (1871-1937) ............................................................ 155

«A primera vista, una osadía espantosa y casi insoportablepara la imaginación»

Niels Bohr (1885-1962) ............................................................................ 177

«Pero cuando se abren los dos ojos a la vez entonces todo se vuelve confuso» Werner Heisenberg (1901-1976) ......................................................... 199

Índice 6

«Necesito un pedazo de parafina» Enrico Fermi (1901-1954) ....................................................................... 223

«Yo no diseñé la bomba atómica» Lise Meitner (1878-1968) .......................................................................... 249

Bibliografía ................................................................................................................ 273

Índice de fotografías ............................................................................................. 283

Para ti, Ute

Momentos estelares de la física

Thomas Bührke

Prólogo

13Thomas Bührke

Arcetri es una pequeña localidad situada al sur de las afueras de Florencia. En ella, se supone que se encuentra Villa Galileo, la casa en la que el gran científico pasó confinado sus últimos años y donde finalmente murió. Sin embargo, encontrarla no resulta fácil. No hay ningún letrero que indique el camino, y las guías de viaje no mencionan el lugar. En nuestra búsque-da llegamos primero por error al terreno de la universidad. En este paraje ondulado, a la sombra de unos árboles antiguos y altos, hallamos una serie de institutos dedicados a la física así como el observatorio de astrofísi-ca. Vamos de un lado a otro sin ningún impedimento, pero no logramos encontrar la venerable casa. De vez en cuando preguntamos por ella a al-guien, algún empleado o estudiante, pero no obtenemos más que indica-ciones equivocadas o un encogimiento de hombros lleno de desconcierto. En todo caso, nos alegra que por lo menos nadie nos pregunta quién es ese tal señor Galileo. Al final, al cabo de muchos intentos infructuosos, una persona nos indica el camino correcto y señala un edificio blanco: está a unos pocos cientos de metros, en una colina. «Il Gioiello», la joya, es el nombre de la villa. Sin embargo, la alhaja está en un estado lamentable y en su interior no hay nada que ver. Únicamente un busto en el muro exte-rior nos descubre que hemos dado por fin con nuestro destino. Un enfoque como éste en la historia de la ciencia puede que no re-sulte necesariamente ejemplar, pero el desconocimiento de las raíces históricas está muy extendido. La responsabilidad recae, en buena

Prólogo 14 15Thomas Bührke

la frase se corrobora a sí misma, porque Newton la tomó prestada de sus predecesores.) En realidad, pocas veces es posible vislumbrar claramente los gran-des momentos de la física; de hecho, los episodios más famosos no son más que leyendas divulgadas por los propios investigadores. Sería el caso, probablemente, de la manzana de Newton y de los experimentos de caída de objetos de Galileo desde la torre inclinada de Pisa. Y sin embargo, esos momentos existen, momentos en que «lo que habitual-mente ocurre sin más, ya de forma consecutiva o simultánea, se com-prime en un instante único que lo determina todo y lo decide todo», tal como Stephan Zweig lo formula tan bellamente en su famoso libro Momentos estelares de la humanidad. La pugna por lograr un descubrimiento pionero o una teoría re-volucionaria subyace en cada uno de estos doce episodios. A su vez, el conjunto de todos ellos muestra el avance de la física, desde los primeros y cándidos intentos de Galileo, hasta la fisión nuclear con todas las enormes consecuencias de la misma en nuestra vida actual. Galileo fijó las bases experimentales y conceptuales de la física expe-rimental, que al principio repercutieron sobre todo en la mecánica y la óptica. El primer punto culminante en el desarrollo posterior fue la impresionante obra de Newton, en concreto, su ley de la gravitación universal. Esta ley condujo al determinismo propio de los siglos xviii y xix, que hizo creer a los científicos que todo era calculable, incluso el futuro, siempre y cuando se dispusieran de suficientes datos de par-tida. Solo la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad rompieron con los antiguos fundamentos y crearon una imagen totalmente nueva de la naturaleza: la relación de indeterminación da a los átomos una cierta «arbitrariedad», y la teoría general de la relatividad convirtió en magnitudes dinámicas «desfiguradas» por la materia el espacio de calma absoluta de Newton y el tiempo de transcurso uniforme. Paralelamente a ello se fue desarrollando el estudio de los procesos eléctricos y magnéticos. Se inició con la pila galvánica de Alessandro Volta y, de seguido, científicos famosos como Coulomb, Ampère y Ørstedt lograron un sinfín de resultados experimentales. Michael

medida, en nuestra formación escolar, que presenta las leyes de la fí-sica como si hubieran caído del cielo en el séptimo día de la Creación y se hubieran desplomado sobre nuestros libros escolares. Con todo, quien se ocupa de la historia de la física se da cuenta muy pronto de que los descubrimientos se consiguen casi siempre tras de una lucha dura y enconada y que muy a menudo esta lucha lleva pareja una vida personal fascinante. La física, por complicada que sea, ha sido y es desarrollada por personas cuyo devenir puede ser tan extraordi-nario y emocionante como el de Pablo Picasso o el de James Joyce. El objetivo de este libro es presentar estas personalidades y el camino que recorrieron para alcanzar su gran momento, el momento estelar. ¿Cómo se hace un genio? Seguramente jamás se encontrará una respuesta a esta pregunta. Al comparar la trayectoria vital de los doce elegidos apenas se hallan puntos en común: Michael Faraday crece en el entorno humilde de una herrería y asciende hasta convertirse en uno de los físicos experimentales más famosos de su tiempo; Henri Becquerel prosigue con la tradición erudita de sus antepasados en el Musée d’Histoire Naturelle de Paris; James Clerk Maxwell pasa su infancia en la soledad de las Tierras Altas escocesas; Lise Meitner dis-fruta desde muy temprana edad de la educación burguesa de la Viena imperial. Muchos, como Enrico Fermi o Werner Heisenberg, desta-can ya en la escuela por su talento extraordinario; otros, en cambio «eclosionan» más tarde. Solo hay una cosa que parecen compartir: una auténtica obsesión por resolver un problema, casi una pulsión, que los lleva hasta el límite del agotamiento mental y físico. Un descubrimiento siempre es un proceso. «Sin duda, los descu-brimientos tienen una historia interna, así como una historia previa y otra posterior», escribió en una ocasión el epistemólogo Thomas Kuhn. Max Planck opinaba: «Con todo, hay que tener en cuenta que una teoría fecunda nunca surge de la nada y que siempre depende de los resultados de investigaciones previas. Por esto, todo investigador que desee avanzar tiene que saber sobre todo lo que otros han logrado antes que él». Dicho en palabras de Newton: «Si he conseguido ver más lejos es porque voy a los hombros de un gigante». (Curiosamente,

Prólogo 16

Faraday investigó la unidad de los fenómenos y de este modo llegó a la idea de los campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, fue preciso el genio matemático de James Clerk Maxwell para que se desarrollara la teoría del campo electromagnético, la cual constituye la base de las telecomunicaciones de hoy en día. El descubrimiento de Henri Becquerel estableció las bases para dos nuevas disciplinas de conocimiento. Así, el fenómeno de la radioacti-vidad llevó, por una parte, al estudio del modelo atómico de Ruther-ford y Bohr, y de ahí, a la mecánica cuántica. Por otra, abrió las puertas a la energía nuclear. Los logros de la física impregnan nuestra vida diaria en una di-mensión mucho más amplia de lo que la mayoría de las personas cree. Evidentemente, esto no significa que todo el mundo tenga que enten-der la física. Es posible que muchos de quienes recuerdan las clases de física como momentos de espanto y pavor comprendan mejor a la «madre de las ciencias naturales» si se les presenta el lado humano de la misma. Puede que entonces estas personas, en su próximo viaje a Italia, vayan también a Arcetri a ver «Il Gioiello».

Leimen, enero de 1997Thomas Bührke

«En vista de ello creo que, de anularse por completo la resistencia del aire, todos los cuerpos caerían exactamente a la misma velocidad»

Galileo Galilei (1564-1642)

19«En vista de ello creo que, de anularse por completo la resistencia del aire, todos los cuerpos caerían…

La villa se encuentra en Borgo dei Vignali, aproximadamente a medio camino entre el Palazzo del Bo’ y la basílica de San Antonio. Desde hace ya cinco años reside en ella el señor Galileo Galilei, de profesión profesor de matemáticas en la universidad de Padua. Su sueldo anual de 320 fiorini le aseguraría una vida holgada si este hombre, que a la sazón tiene cuarenta años, no le gustara vivir igual de bien que sus colegas, mejor remunerados, de medicina y filosofía. Tiene además varios compromisos económicos que le abruman: tras la muerte de su padre, él, el hijo mayor, es respon-sable de su madre y de sus hermanas; en concreto, le pesa mucho la dote que tiene que pagar para casar a su hermana. Y además, se hace cargo de la manutención de una amante que ya ha dado a luz a dos hijas ilegítimas. Por esto, el señor professore da clases particulares en su villa, pero la lista de aquellos a los que concede este favor es extremadamente esco-gida: el archiduque Fernando de Austria, el príncipe Johann Friedrich von Holstein y el duque de Mantua. En su gran casa hospeda cons-tantemente a una docena de invitados, y tiene sitio para otras instala-ciones, como un taller propio en el que unos artesanos pagados por él fabrican dispositivos mecánicos. La venta de estos ingenios le asegura unos ingresos adicionales que llegan incluso a superar su asignación regular como profesor.

Galileo Galilei 20 21«En vista de ello creo que, de anularse por completo la resistencia del aire, todos los cuerpos caerían…

Estamos en octubre del año 1604 y las uvas penden en las parras del jardín de la villa cuando Galileo se atrinchera de nuevo en su laborato-rio e inicia unos extraños experimentos. Es un hombre de constitución robusta y su barba poblada y vigorosa le da un aspecto casi marcial. Sin embargo, en este instante, el sabio parece más absorto en unos pasatiempos infantiles que en una investigación seria. En el centro de la sala se encuentra una tabla de unos seis pies de longitud con un extremo apoyado en una pequeña cuña de madera, formando lo que Galileo denomina un «plano inclinado». A la tabla se le ha practicado un surco que el maestro ha forrado cuidadosamente con papel de pergamino para que su superficie sea lisa. El maestro hace rodar por el surco una y otra vez una bola de latón pulida y modifica cada vez un poco el experimento cambiando la inclinación de la pista. El ensayo adquiere tintes casi espiritistas cuando Galileo pasa a acom-pañar con una canción la trayectoria de la bola que lanza un ayudante. El maestro toca el laúd mientras canta una catena florentina. Si se atiende bien, es posible oír un tono rítmico creado por la bola en la pista. Lo que aparenta ser un entretenimiento descabellado es, en reali-dad, un invento genial para que la naturaleza demuestre la ley de la caída a la que están sometidos todos los cuerpos en la tierra. El plano levemente inclinado permite amplificar en el tiempo la rápida caída libre de una bola. Y Galileo ya ha demostrado con argumentos pura-mente geométricos el hecho de que el movimiento en el plano incli-nado se rige forzosamente por la misma ley de la velocidad que en la caída vertical. Así pues, ¿a qué viene el acompañamiento musical? La bola hace todo el recorrido por la tabla en pocas pulsaciones. Pero para que Galileo pueda medir la longitud de los segmentos por los que la bola circula en períodos de tiempo iguales necesita un apara-to de medición que le permita calcular incluso secciones mínimas, por ejemplo, la décima parte de una pulsación. Los relojes de arena y los de agua no son suficientemente precisos, mientras que sí lo es el sentido del ritmo que Galileo ha heredado de su padre, que fue compositor y maestro de música. Por lo tanto, el ritmo de la canción es la cadencia de su reloj. La bola por su parte deja oír unos tonos periódicos porque

Galileo Galilei

Galileo Galilei 22 23«En vista de ello creo que, de anularse por completo la resistencia del aire, todos los cuerpos caerían…

empleaba una definición de velocidad distinta a la que utilizamos hoy. Para nosotros la velocidad (v) es el recorrido realizado en cada unidad de tiempo. Galileo definía la velocidad como v2. Cuatro años más tarde explicará la ley de la caída tal como la conocemos hoy. Treinta años más tarde, condenado por la Inquisición y confinado en Siena, escribirá los nuevos descubrimientos en una obra extensa: «Con todo, hemos decidido observar los fenómenos que tienen lugar en la naturaleza con la caída libre de los cuerpos y hacer que la defi-nición del movimiento acelerado se corresponda con la esencia de un movimiento acelerado de forma natural. Tras dilatadas consideracio-nes creemos haberlo conseguido al fin, basándonos fundamentalmente en que lo que el experimento muestra a los sentidos se corresponde exactamente con los fenómenos descritos».

El primer Galileo Galilei nació en 1370 en Florencia. Se llamaba en realidad Galileo Bonaiuti, era el vástago de una familia influyente y, siguiendo la moda del momento, se cambió el apellido duplicando su nombre de pila: Galileo Galilei. Sin embargo, uno de sus descendientes, Vincenzio Galilei, se vio obligado a ganarse la vida después de que la reputación y la riqueza de la dinastía Galilei se desvanecieran. Era pañero de profesión, pero como tenía buen nombre como compositor y teórico musical impartía lecciones de música a ciudadanos y estudiantes de Pisa. El día 15 de febrero de 1564 Vincenzio y su mujer, Giulia, tuvieron su primer hijo, un niño, al que bau-tizaron con el nombre de su venerable ancestro: Galileo Galilei. El muchacho pasó su infancia en la casa paterna, donde aprendió pronto a tocar el laúd. Inició su educación preceptiva a los diez años, cuando él y su madre siguieron a su padre a Florencia, ciudad a la que este se había dirigido dos años atrás. No muy lejos de la ciudad, en la escuela del monasterio benedictino de Santa María, en Vallombrosa, aprendió todo lo necesario para iniciar sus estudios de medicina. Sin embargo, su padre le obligó a regresar a su casa antes de tiempo cuan-do oyó decir que su hijo quería hacerse monje. A partir de entonces tomó clases particulares hasta que, con diecisiete años, se matriculó en la antigua universidad de Pisa.

Galileo ha colocado en espacios concretos de la tabla de madera unas cuerdas de tripa. De este modo, cada vez que la bola pasa sobre una de las ocho cuerdas deja oír un tono. El truco, por lo tanto, consiste en colocar las cuerdas de tal modo que la bola las rebase a intervalos de tiempo iguales. Y para medir esta regularidad Galileo usa el ritmo de la música, que hace las veces, por así decirlo, de metrónomo. Galileo anota con una precisión extrema toda variación, por menor que sea, de la secuencia rítmica de la bola respecto al ritmo tocado. El experimento se repite una y otra vez, y tras cada recorrido de la bola, Galileo desplaza una u otra cuerda. A veces uno de los intervalos resulta excesivamente largo, otras es demasiado corto. Al final, sin em-bargo, logra su objetivo: sincronizar el tono de la bola en movimiento con el ritmo de la canción, de modo que las ocho cuerdas quedan ajus-tadas por igual al compás. Entonces Galileo toma una barra medidora y mide las distancias entre las cuerdas, que se corresponden exacta-mente con el trayecto recorrido por la bola en intervalos temporales de igual longitud. El resultado es inequívoco: la separación de las cuerdas es mayor cuanto más cerca está el final de la tabla. Esto significa que la bola se desplaza cada vez a más velocidad de tal forma que cada se-paración dobla en tamaño la anterior. La bola describe un movimiento con aceleración constante. Desde hace dos milenios los estudiosos de la naturaleza y los filósofos coinciden en que la naturaleza solo se puede observar para descubrir las leyes que la rigen. Los experimentos se consideraban actos no naturales y, en consecuencia, inadecuados para una empresa como esa. Galileo lo-gra encontrar por primera vez una ley física de la naturaleza por medio de una experimentación dirigida y asignarle una fórmula matemática. Inmediatamente anuncia su descubrimiento a Fra Paolo Sarpi, un monje erudito, dotado para las matemáticas y con gran influencia po-lítica. El día 16 de octubre de 1604 Galileo le escribe: «Y el principio es el siguiente: que el cuerpo movido de forma natural aumentará su velocidad de forma proporcional a su distancia respecto al punto de partida del movimiento». Ésta no es aún la que hoy conocemos como la ley de la caída de los cuerpos, debido posiblemente a que Galileo