1 de septiembre de 1939

El primer día del mes de septiembre de 1939 está marcado a fuego en la historia de la humanidad.  Podemos considerar que fue ese día en el que comenzó de manera oficiosa la Segunda Guerra Mundial tras la invasión Nazi, con la connivencia de la URSS, de Polonia.

Y ese día, confirmando la hipótesis de que la historia es un pañuelo, la historia hizo un guiño sarcástico en forma de dos artículos científicos.  Estos son el objeto de esta entrada.  Estos dos artículos se publicaron en el volumen 56 de la revista Physical Review.

Esta entrada tiene su origen en el programa 27 de Los 3 Chanchitos que es el podcast semanal de sevillawebradio.com en el que participo.  También tenemos un canal de YouTube donde ampliamos lo que contamos en el podcast o hablamos de cosas de ciencia que nos resultan interesantes.  El vídeo de relativo a esta entrada es:

Los artículos que retumbaron en la historia

En el volumen 56 de la publicación del American Institute of Physics para la American Physical Society a fecha de 1 de septiembre de 1939 encontramos dos artículos que supusieron una conmoción para la física y para la historia.

Los artículos fueron los siguientes:

 

Pues dos artículos sin más, dos trabajos científicos publicados en una revista especializada como los que aparecen a diario a patadas. Tal vez esta vez fue diferente. Los autores de estos artículos son:

Y estos señores tuvieron mucho que decir en la historia, alguno de ellos como figura esencial.

«On the continued gravitational contraction» – Oppenheimer y Snyder

Este artículo apareció en la página 455 de la revista en el mencionado volumen y en esa fecha crucial.  Se puede traducir por –Sobre la contracción gravitacional continuada-.

Sus autores, Oppenheimer y Snyder (estudiante del primero), fueron capaces de demostrar que la materia usual, sin añadir condiciones exóticas, podría sufrir un colapso gravitatorio que acababa en un agujero negro.  Este hecho puede parecer intrascendente pero para la historia de la física fue todo un hito.

Por aquella época aún no se hablaba de agujeros negros, el término no había sido acuñado aún.  Y ese episodio es otro giro irónico de la historia como veremos más adelante.

Aunque el concepto de estrella negra, como se denominaban los agujeros negros inicialmente, tiene una larga historia y se puede remontar hasta el siglo XXVII. No fue hasta 1916 cuando tomo su forma definitiva gracias al trabajo de Karl Schwarzschild un físico-matemático alemán.  Este publicó el artículo:

Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie

Que podéis encontrar en inglés aquí:

On the Gravitational Field of a Point-Mass, According to Einstein’s Theory

En este trabajo, Schwarzschild encuentra una solución a las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General para un cuerpo de masa M sin rotación ni carga. Su importancia estriba en que se puede usar para modelar el comportamiento de sistemas ligados por la gravedad como el sistema solar. Es interesante notar, como dice el mismo artículo, que el trabajo fue publicado el 13 de enero de 1916 y que las ecuaciones de Einstein fueron conocidas el 18 de noviembre de 1915.  Realmente entendió la Relatividad General y pudo extraer una solución en un tiempo record.  Todo ello roza la épica si recordamos que por aquel entonces el mundo estaba sumido en la Primera Guerra Mundial y que Schwarzschild estaba movilizado por el ejército alemán.  Poco después, por problemas derivados de las malas condiciones en el frente, moría en Potsdam un 11 de mayo de 1916.

Pero el resultado de Schwarzschild fue controvertido porque indicaba que si la masa M del cuerpo cuya gravedad quería estudiar estaba confinada en un volumen de un radio menor que uno dado, el radio de Schwarzschild, la gravedad en dicho volumen sería tan intensa que ni la luz podría escapar de él.  Aparecía el concepto, todavía sin nombre, de agujero negro en Relatividad General.

Actualmente entendemos un agujero negro como una región del espaciotiempo que no puede conectar con el exterior.  Si estamos fuera de dicha región podemos mandar señales hacia el interior del agujero o hacia el infinito exterior. Pero si estamos dentro de la región agujero negro nada, ni tan siquiera la luz, puede salir de ahí.  En la imagen representamos tres rayos de luz:

Suponiendo que podemos estar dentro de la región de agujero negro e intentamos enviar un rayo de luz (línea roja) hacia el exterior, este será tragado hacia el interior del agujero, no podrá escapar.  La región de agujero negro tiene una superficie límite a partir de la cual ya no es posible la comunicación con el exterior, el denominado horizonte.

Este hecho, junto a algunos detalles técnicos asociados, hicieron que la comunidad física, con Einstein a la cabeza, ninguneara la solución de Schwarzschild.  Pensaban que era una bonita solución matemática a las ecuaciones de la Relatividad General pero que no se presentaría en una situación físicamente razonable.  La convicción en este hecho fue tan dramática que el propio Lev Landau, un gigante de la física, pensaba que en cuerpos muy compactos las leyes de la cuántica dejarían de ser válidas y eso permitiría eludir el colapso de una estrella que ha acabado su fusión nuclear hasta agujero negro si tiene la suficiente masa.  Podemos consolarnos con aquello de que incluso los grandes cometen grandes errores, pero hay que estar ahí para cometerlos.

La situación estaba tranquila hasta el trabajo de Oppenheimer y Snyder.  En su trabajo mostraron como una bola de polvo, partículas que no interactúan entre ellas, colapsarían bajo su propia gravedad y traspasarían su horizonte formando un agujero negro. Este trabajo es esencial para demostrar que no hay ninguna razón física para pensar que se puede evitar el colapso gravitatorio a partir de una determinada masa que muchas estrellas superan con creces.  Oppenheimer y Snyder fueron capaces de hacer el cálculo completo ya que su situación era tan simple que permitía describirlo enteramente con matemáticas exactas. Situaciones más complejas, interacción entre las partículas, rotación del cuerpo, etc, requieren de cálculos aproximados por ordenador. Pero hoy día eso no tiene ningún misterio.

Desgraciadamente, Oppenheimer y Snyder no pudieron continuar sus estudios en este campo.  La razón fue que a Oppenheimer le asignaron la dirección y coordinación científica del proyecto Manhattan, el proyecto estadounidense para la creación de bombas de fisión nuclear.

Tras la Segunda Guerra Mundial muchos volvieron sus ojos a la Relatividad General y rescataron la solución de Schwarzschild y el trabajo de Oppenheimer. Uno de los máximos expertos fue un tal John Archibald Wheeler que en la década de los sesenta acuñó y popularizó el término agujero negro.  No deja de tener gracia la cosa.

The mechanism of nuclear fission

Este es un artículo fundamental para la historia de la humanidad y de la física. Fue el primer artículo en el que se sentaron las bases de la física de la fisión de núcleos y fue determinante para entender cómo construir una bomba nuclear en aquellos tiempos bélicos.

Para entender la importancia de este trabajo haremos un breve e incompleto repaso a la historia de la fisión nuclear.

1932

James Chadwick descubre el neutrón.  Una partícula neutra presente en los núcleos atómicos acompañando en muchos de ellos al protón que tiene carga positiva igual en módulo a la del electrón (carga negativa).

1933

En Roma, Enrico Fermi comienza una serie de experimentos que consisten en bombardear distintos elementos con neutrones.  De esas experiencias se extrae la conclusión de que esto solo causa pequeños efectos en los núcleos.  Cuando somete muestras de Uranio a este tipo de experimentos encuentra algo que no sabe explicar y lanza la hipótesis de que ha creado un nuevo elemento químico en el proceso.

1935-1939

En ese periodo, en el Instituto del Kaiser Whilhelm en Berlín, Lise Meitner lidera, un grupo que acabará encontrando un hecho que nadie esperaba y nadie había predicho.

Bombardeando muestras de Uranio con neutrones son capaces de encontrar que en realidad Fermi no había encontrado un nuevo elemento químico sino que había roto el núcleo de Uranio en dos núcleos menores.

El grupo que llevó a cabo este descubrimiento estaba formado por Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann.  La primera como física y los dos siguientes como expertos en radioquímica.

En uno de los clásicos episodios de la historia de la ciencia, Lise Meitner fue ninguneada por Otto Hahn y este acabó recibiendo en solitario el Nobel por este descubrimiento.  Lise Meitner, con antecedentes judíos, tuvo que salir de Alemania en 1938 y refugiarse en Suecia para evitar su captura por los Nazis.  Sin embargo, mantuvo correspondencia sobre el tema con Hahn y sin su ayuda no habrían descubierto nada.  Él negó todo siempre, pero los documentos históricos y el testimonio de Strassmann confirman lo contrario.

Ella era de origen austriaco y por un tiempo, desde 1933 hasta 1938, pudo trabajar en Berlín pero la cosa se complicó y hubo de huir.  Esto, aunque sea una triste historia, fue una bendición para todos porque ella fue la que se dio cuenta de lo que estaba pasando en los experimentos que Hahn y Strassmann estaban realizando.

En las navidades de 1938, Lise contactó con Otto R. Frisch, un físico que trabajaba en el instituto de Niels Bohr y le contó lo que habían encontrado en Berlín.  Juntos pudieron dar una explicación del fenómeno y lo llamaron fisión nuclear.  Si nos centramos en el Uranio y miramos la imagen anterior, donde está representado este proceso, veremos que el uranio recibe un neutrón y se desestabiliza rompiéndose en dos núcleos más ligeros.  En este proceso se emite energía ya que la suma de la masa de los núcleos productos finales es menor que la masa del uranio original.  ¿Dónde ha ido la masa?  Se ha transformado en energía según la famosa y malentendida fórmula de Einstein, E=mc² (afortunadamente en este caso funciona).

Niels Bohr, uno de los grandes físicos del siglo XX y padre de la cuántica, fue informado de estos resultados y a principios de 1939 inició una gira de conferencias y congresos en USA explicando estos nuevos descubrimientos.

En esa fecha no se sabían los detalles de la fisión y fue en el artículo junto con un joven estudiante, Wheeler, donde se explican los detalles del fenómeno por primera vez.  No solo eso, en ese artículo responden a una pregunta interesante.  Si el Uranio se fisiona, ¿por qué queda Uranio en la Tierra en grandes cantidades?  La respuesta viene de la mano de los isótopos.  Un elemento químico viene determinado por el número de protones de su núcleo.  El Uranio, todos los átomos de Uranio, tienen 92 protones en su núcleo.  Pero el número de neutrones puede variar, así un mismo elemento puede tener núcleos con distinto número de neutrones.  Y eso identifica a los distintos isótopos de un elemento químico.  Para el Uranio hay varios isótopos pero los que nos interesan son los siguientes:

Resulta que según mostraron Bohr y Wheeler, el Uranio-238 absorbe neutrones fácilmente y se transforma en Uranio-239 que prefiere emitir dos electrones. Esto lo consigue transformando dos neutrones en dos protones y emitiendo dos electrones, es lo que se llama emisión beta. Con esto logra estabilizarse estabilizarse convirtiéndose en un nuevo elemento, el Neptunio-239 que tiene 94 protones en su núcleo.  También calcularon que el Uranio-238 se puede fisionar pero que para ello hace falta que los neutrones que lo bombardean tenga unas energías específicas.

Sin embargo, el Uranio.235 tiene una estupenda tendencia a fisionarse en dos núcleos más pequeños. En el proceso obtenemos dos núcleos de menor masa, energía liberada y tres neutrones emitidos.   Este fenómeno, que se emitan nuevos neutrones en la fisión nuclear mediada por neutrones, hizo que pronto se dieran cuenta (Fermi fue uno de los primeros) que se podía generar una reacción en cadena.

Este proceso es altamente improbable en el Uranio-238.  El caso es que el uranio natural es Uranio-238 en un 99.27% y solo un 0.72% es Uranio-235. Por lo que tener una reacción en cadena automantenida con uranio natural era una tarea quijotesca.

Esto supuso un problema para los programas armamentísticos nucleares incipientes porque enriquecer el uranio, aumentar la proporción de Uranio-235 para conseguir una reacción en cadena, era un proceso desconocido y muy costoso.  Sin embargo, hay otros elementos como el Plutonio-239 que pueden mantener una reacción en cadena con facilidad y pronto se vio que este núcleo se producía como desecho de los reactores nucleares que se estaban probando en los programas nucleares nazis y americanos.

Bombas de Uranio y Plutonio

Al final, fue USA la que ganó la primer carrera nuclear.  Consiguieron diseñar dos bombas, una de Uranio y otra de Plutonio. El Plutonio era preferido porque era fácil de producir.  Para 1945 solo había uranio para una bomba porque enriquecerlo, como hemos dicho, era una formidable tarea para aquel entonces.

El problema es que el Plutonio y el Uranio se comportan de forma diferente y no se pueden detonar, como bombas, de la misma forma.  El punto clave está en el concepto de masa crítica.  Para que se de una reacción en cadena que libere mucha energía hay que tener una cantidad mínima de masa del material fisionable.  De otro modo, aunque se produzcan neutrones secundarios o terciarios estos no encontrarán más núcleos que fisionar y la reacción se parará.

Cada material tiene una masa crítica, para el Uranio-235 su valor ronda los 60kg, para el Plutonio-239 es mucho menor, 10kg (considerando muestras puras).

Una bomba de uranio se hace separando la muestra en dos porciones que al juntarlas darán una masa superior a la crítica permitiendo una masiva reacción en cadena.  Para detonarla simplemente se lanza la porción pequeña sobre la grande a muy alta velocidad y ya tenemos una bomba de Uranio funcionando.

El plutonio es más difícil de detonar.  El problema está en que el plutonio que se quiere emplear es el Plutonio-239, sin embargo es casi imposible evitar que se contamine con pequeñas trazas de Plutonio-240.  El plutonio 240 tiene la manía de sufrir fisiones espontáneas y producir neutrones en el proceso, con lo cual si hacemos una bomba con el mecanismo anterior al juntarse mínimamente las dos porciones ya habría muchos neutrones en juego produciendo una pequeña explosión nuclear que estropearía el invento.   La solución encontrada fue endiabladamente difícil de poner en funcionamiento, la idea consistía en tener una bola de plutonio rodeada de explosivos de forma que todos explotaran a la vez generando una onda de choque concéntrica con la bola.  Eso comprimiría la bola de plutonio alcanzando una alta energía y una alta concentración permitiendo la reacción en cadena masiva con los resultados desastrosos que la humanidad ya ha contemplado.

Circula la idea, aunque sigo indagando sobre ella, que la idea de hacer una bomba de compresión para el caso del plutonio se inspiró en el trabajo de Oppenheimer sobre los agujeros negros.  Como digo, es solo una idea que solo he podido encontrar en una fuente.

Desgraciadamente, la guerra, la ciencia y la inconsciencia permitieron que el 6 de agosto de 1945 el mundo contemplara el poder nuclear en Hiroshima de la mano de una bomba de uranio y tres días después en Nagasaki de una bomba de plutonio.

Los efectos fueron devastadores, rápidos e imprevisibles.

A veces, la física da vértigo y su presencia en la historia es más que evidente e indeseable.  Ojalá que hayamos aprendido algo en el camino.

Nos seguimos leyendo…