MAX KARL ERNST LUDWING PLANCK

Nobel Física-1918

         La familia de Planck se trasladó a Munich cuando Max era todavía un niño, y allí recibió su primera enseñanza. En su época universitaria se fue de Munich a Berlín, en donde, como Hertz, tuvo de profesores a Helmholtz y Kirchhoff.

         En 1880 se unió a la Facultad de Munich y cinco años más tarde obtuvo un nombramiento de profesor en la Universidad de Kiel.

         En 1889, a la muerte de Kirchhoff, le reemplazó en su puesto de profesor en la Universidad de Berlín. Allí permaneció hasta su retiro en 1926.

         El trabajo doctoral de Planck versó sobre termodinámica, por el interés que le inspiraban los trabajos de Clausius, en particular se fijó en el problema planteado por primera vez por su antiguo profesor Kirchhoff, del cuerpo negro que absorbe todas las frecuencias de luz y por eso cuando se calienta las emite.

         Pero ahora venía una cuestión muy delicada. El número de frecuencias es más grande en la extensión de las altas que de las bajas, así como los números naturales son más los que pasan de un millón que los que están contenidos en él. Si un cuerpo negro irradiaba igualmente radiaciones electromagnéticas de todas las frecuencias, entonces virtualmente, toda la energía se irradiaría en alta frecuencia, justamente como si al escoger un número, sería casi seguro que saliese por encima del millón porque hay muchísimos más en esa región. Esta situación con respecto a la radiación se menciona como <catástrofe del violeta>, porque la radiación son frecuencia más alta en el espectro de luz visible es el violeta.

         En la realidad esto no pasa y no hay catástrofe del violeta. Wien y Rayleigh trataron de conseguir ecuaciones que explicasen cómo la radiación del cuerpo negro se distribuía realmente. La ecuación de Wien se ajustaba perfectamente a las frecuencias altas, pero no a las bajas. Por el contrario, la de Rayleigh se ajustaba a las bajas y no a las altas.

         En 1900 Planck se las arregló para conseguir una ecuación relativamente simple que describía con precisión la distribución de la irradiación de las variadas frecuencias. Se basaba en la suposición decisiva: la energía no es divisible indefinidamente, como la materia está formada por partículas. A estas partículas de energía Planck les dio el nombre de cuantos (del latín quantus) o en singular, cuanto.

         Después supuso que el tamaño de cada uno, para cada radiación electromagnética, era directamente proporcional a su frecuencia. Así, la luz violeta situada en un extremo del espectro visible que tenía una frecuencia doble de la luz roja del otro extremo, su cuanto de energía era también el doble que el de la luz roja.

         Supongamos ahora que la energía solo pudiese absorberse o emitirse en cuantos completos. Cuando un cuerpo negro irradiaba no era probable que lo hiciese en todas las longitudes de onda por igual. El hacerlo en baja frecuencia es fácil porque se necesita muy poca energía para formar un cuanto, en cambio, se necesita más energía para irradiar en alta frecuencia y es menos probable que se acumule esta nueva energía adicional. Cuanta más alta es la frecuencia, menor es la probabilidad de radiación. Un cuerpo a 600º C irradia principalmente en los pequeños cuantos infrarrojos, en cantidades suficientes para dar el color rojo a su resplandor. No hay catástrofe del violeta porque aunque las frecuencias altas son muchas, su cuanto de energía es muy alto y hace improbable su radiación.

         A medida que asciende la temperatura se eleva la energía contenida y se hace cada vez más probable que se radien los cuantos de alta frecuencia. Por esa razón cuando un objeto se calienta, la luz radiada se vuelve naranja, amarilla y finalmente azulada. De este modo, la ley de Wien, conseguida solamente por observación, ponía una base teórica a este asunto.

         La pequeña constante, razón de la frecuencia de una radiación al tamaño de su cuanto, se llama constante de Planck y se representa por h, y se reconoce ahora que es una de las fundamentales del universo.

         Esta teoría era tan revolucionaria que los físicos no la aceptaron inmediatamente, el mismo Planck no creía en ella completamente, y medio sospechaba que podría ser una trampa matemática, sin ninguna relación con algo real.

         En 1905 Einstein, por primera vez aplicó la teoría cuántica a un fenómeno visible y que no tenía explicación para la física del siglo diecinueve –el efecto fotoeléctrico, observado ya por Hertz-. Después en 1913, Bohr incorporó la teoría cuántica a la estructura del átomo que explicó muchas cosas que hasta aquel momento eran inexplicables. En efecto, a la física anterior a 1900 se le llama ahora Física Clásica, y a partir de esa fecha Moderna, la frontera quedo marcada por la teoría cuántica. La Física Moderna no podría existir sin nuevas formas de análisis matemáticos que implicasen los cuantos.

         En 1918 la teoría cuántica había alcanzado tanta importancia que a Planck le otorgaron el premio Nobel de física, y a Einstein y Bohr se lo darían unos años más tarde por el uso que de ella hicieron.

         En 1930 a Max Planck le nombraron presidente de la Sociedad Kaiser Guillermo, de Berlín, pasándose a denominar en su honor Sociedad Max Planck, hoy en día esta Sociedad imparte los premios con su nombre, los más importantes a nivel de física de partículas y cuántica. En su ancianidad vio que su celebridad en el mundo de la ciencia solo era sobrepasada por la de Einstein. Resistió firmemente a Hitler, en los días del poder nazi, a pesar de su edad, y no prestó ni su prestigio ni su opinión al régimen. Intercedió personalmente (sin éxito) ante Hitler a favor de sus colegas judíos y a consecuencia de eso se vio forzado a dimitir de la presidencia de la Sociedad Max Planck en 1937. Ejecutaron a su hijo Edwin en 1944, acusado de tomar parte en una conspiración contra la vida de Hitler.

         Planck vivió casi noventa años, sobrevivió a la Segunda Guerra Mundial y contempló la destrucción del nazismo. Fuerzas americanas le rescataron en 1945 durante los últimos días de confusión, antes de la derrota final alemana. Le nombraron de nuevo presidente de la Sociedad Max Planck hasta que se encontrase un sucesor y le trasladaron a Gotinga, donde pasó sus dos últimos años, estimado y respetado.

JAMES PRESCOTT JOULE

         Joule era hijo de un opulento cervecero, lo que significaba que tenía medios para dedicarse a una vida de investigación. De joven gozó de poca salud, por ello pudo retirarse a sus libros y estudios. Uno de sus maestros fue Dalton.

         Joule fue casi un fanático en lo tocante a medidas y aun en su luna de miel tuvo tiempo para inventar un termómetro especial, para medir la temperatura del agua en la parte superior e inferior de una pintoresca catarata que iban a visitar.

         Antes de los veinte años publicaba trabajos en los que daba a conocer las temperaturas en relación con los motores eléctricos. Hacia 1840, había logrado la fórmula que gobierna la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica (el calor producido es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la resistencia del circuito).

         Prosiguió con sus medidas, dedicando una década a medir el calor producido por todos los procesos que podía imaginar. Agitó agua y mercurio con paletas. Pasó agua a través de pequeños agujeros para medir el calentamiento por fricción. Dilató y contrajo gases. Estudio las medidas de las temperaturas del agua en la catarata, la de su luna de miel, confiaba en la creencia de la energía del agua al caer debía convertirse en calor y que la temperatura del fondo de la caída de agua debía de ser más alta que en la parte superior.

         En todos esos casos calculó la cantidad de trabajo que había intervenido en el sistema y la cantidad de calor que había producido, y halló como Rumford había mantenido medio siglo antes, que las dos cosas, calor y trabajo, estaban íntimamente relacionadas.

         Una cantidad particular de trabajo siempre producía una cantidad particular de calor. En efecto, 41.800.000 ergios de trabajo, producían una caloría de calor. A esto se le llamó, y se le sigue llamando, <equivalente mecánico del calor>.

         La primera descripción completa de Joule de sus experimentos y conclusiones apareció en 1847, que no suscitaron un especial interés en los científicos de su tiempo. Este hecho se debe en parte, una gran parte, a que Joule era un cervecero y no un académico (nunca recibió un puesto de profesor, salvo al final que si se le propuso). También influía el hecho de que en muchos casos sus conclusiones se basaban en pequeñas diferencias de temperatura, de modo que sus experimentos eran muy poco espectaculares.

         El artículo original de su descubrimiento fue rechazado por varios periódicos expertos en la materia, se vio obligado a presentarlo en una conferencia pública en Manchester y entonces consiguió que, de mala gana, le publicase su conferencia un periódico local. Unos cuantos meses más tarde se las arregló para presentarla ante una reunión científica poco propicia, y su presencia hubiera pasado inadvertida si no hubiera sido por un joven veinteañero presente en el auditorio. Este joven era William Thomson, conocido más adelante por Lord Kelvin. Sus comentarios sobre los trabajos de Joule fueron lo bastante agudos y lógicos para levantar interés y, aun más, entusiasmo. El renombre de Joule estaba hecho.

         Joule no fue el primero en determinar el equivalente mecánico del calor. Rumford lo había intentado, pero le había salido un valor demasiado alto. Mayer consiguió un valor bastante aceptable, antes de que lo hiciera Joule, pero fue éste el que lo hizo más exactamente (para su época) y respaldaba su cifra con una gran variedad de cuidadosos datos experimentales y fue quien (con la ayuda de Thomson) fijó la atención del mundo de la ciencia. Por eso en él recae la fama y en su honor una unidad de trabajo igual a 10.000.000 ergios se llama julio.

         La determinación del equivalente mecánico del calor condujo a la evolución de una ley fundamental hasta aquellos tiempos. Desde el tiempo de Newton y aun de Galileo se entendía que la energía de un objeto lanzado hacia arriba, no disminuía cuando el movimiento se hacía más lento. Sin duda ese movimiento invariablemente disminuía bajo la influencia de la gravedad, pero como el objeto perdía energía cinética (energía del movimiento) ganaba energía potencial (energía de la posición). Cuando el objeto alcanzaba la máxima altura, estaba fijo momentáneamente y no poseía energía cinética, pero tenía una gran energía potencial. Cuando empezaba a caer la energía potencial iba disminuyendo y empezaba a aumentar la cinética. Cuando llegaba al suelo volvía a tener toda la energía cinética con la que se le había lanzado hacia arriba.

         Teóricamente, la energía potencial y cinética se intercambiaban sin pérdida, a esto se le llamaba conservación de la energía (más adelante se acotaría a energía mecánica) y hasta esa época tenía el rango de ley. En realidad, la conservación no era tan perfecta, alguna energía se perdía por la resistencia del aire y por la fricción.

         Sin embargo, si el calor se reconoce como una forma de energía, y si se comprueba que la perdida de energía mecánica por fricción o rozamiento o la perdida de cualquier otro tipo de energía queda compensada exactamente por la ganancia de calor, entonces se puede asegurar la conservación de la energía total (sea cual sea su forma) en un sistema dado.

         Esta es la ley de la conservación de la energía que establece que la energía ni se crea ni se destruye (de la nada), sencillamente se transforma de un tipo a otro. Esta es una de las generalizaciones más importantes en la historia de la ciencia. Es tan importante en unión con el estudio de la acción recíproca del calor y del trabajo (la termodinámica, ciencia creada por Carnot con dos décadas de anterioridad) que frecuentemente se llama la primera ley de la termodinámica.

         Con posterioridad a la época de Joule, esta ley se ha tambaleado en diversas ocasiones, fundamentalmente con el descubrimiento de la radioactividad y la emisión radioactiva de electrones, pero siempre y gracias a los trabajos de Einstein y Pauli la primera ley se ha reestablecido más firmemente que nunca, al menos hasta hoy en día.

         Aunque Joule reconoció el principio de la conservación de la energía, y lo mismo hizo Mayer antes que él, el primero en presentarla como una generalización categórica fue Helmholtz y es generalmente éste quien lleva la gloria de su descubrimiento.

         Durante los años de 1850, Joule siguió colaborando con su joven amigo Thomson. Juntos los dos demostraron que cuando se permite a un gas dilatarse libremente, su temperatura desciende ligeramente. Esta observación establecida en 1862 se llama efecto de Joule-Thomson y se toma como evidencia para el hecho de que las moléculas de los gases tienen una atracción de poca importancia para con las que las rodean. Es, al vencer esta atracción, al separarse por dilatación que las moléculas individuales pierden energía y por tanto temperatura. Esto resultó ser una consideración muy importante para la obtención de temperaturas extremadamente bajas, hacia finales del siglo XIX. Científicos como Dewar tomaron gran ventaja de ella.

         Joule también descubrió el fenómeno de magnetostricción por el cual una barra de hierro cambia algo de longitud cuando se magnetiza. Esto parecía una cuestión puramente académica en aquel tiempo, pero en tiempos modernos este resultado se utiliza en conexión con la formación de ondas ultrasónicas.

         Joule fue elegido para la Royal Society en 1850, recibió la medalla Copley en 1866 y fue presidente de la Asociación Británica para el fomento de la ciencia entre 1872 y 1887.

         Al final, que permaneciese como cervecero toda su vida y que no llegara a ser profesor nunca, parece ser que no importó a la democracia intelectual del mundo de la ciencia.

CHARLES GLOVER BARKLA

Nobel Física-1917

         Barkla estudió en University Collage de Liverpool, donde uno de sus profesores era Oliver Lodge. Siendo aún estudiante, Barkla sustituía a Lodge en sus clases cuando era necesario. Después de graduarse, Barkla estuvo en Cambridge estudiando con J. J. Thomson y en 1902 volvió a Liverpool.

         En Cambridge empezó sus investigaciones sobre los rayos X descubiertos algunos años antes por Roentgen. Barkla se dio cuenta de que los rayos X eran dispersados por los gases y que la magnitud de la dispersión era proporcional a la densidad del gas y, por tanto, a su peso molecular. A partir de esto dedujo que cuanto mayor fuera la masa del átomo, contenía mayor número de partículas cargadas, puesto que dichas partículas cargadas eran responsables de la dispersión. Este descubrimiento suponía la primera indicación de una conexión entre el número de electrones de un átomo y su posición en el sistema periódico, es decir, suponía un primer paso hacia el concepto de número atómico.

         En 1904 Barkla demostró, a partir de la manera como los rayos X se dispersaban, que eran un tipo de ondas particulares. Eran ondas transversales como las de la luz y no longitudinales como las del sonido, como el propio Roentgen había supuesto.

         En 1906 Barkla comenzó su trabajo más importante. Demostró que cuando los rayos X eran dispersados por un cierto elemento, producían un rayo de penetración característico. (En aquella época no existía la forma de medir la longitud de onda de los rayos X, de modo que Barkla tuvo que llegar a sus deducciones a partir de la medida de la cantidad de absorción de un cierto rayo efectuada por una placa de aluminio de espesor conocido.) Si se estudiaban los distintos elementos de acuerdo con su orden en el sistema periódico, los <rayos X característicos> que producían eran cada vez más penetrantes. Mosley pronto hizo uso de esos rayos X característicos para consumar la noción de número atómico.

         Barkla, prosiguiendo con sus trabajos, reconoció dos tipos de rayos X, un conjunto más penetrante que llamó radiación K y otro menos penetrante que llamó radiación L. Este descubrimiento era el primer paso hacia la comprensión de la distribución de los electrones dentro del átomo, cuestión que pronto dilucidarían Siegbahn y Bohr.

         Por su trabajo sobre los rayos X, Barkla recibió el premio Nobel de física en 1917.

JACOBUS HENRICUS VAN´T HOFF

Nobel Química-1901

        El padre de Van´t Hoff era médico, él se dedicó por la química contra los deseos de su padre. Hizo lo que deseaba y después de asistir a la Universidad de Holanda (donde Beijerinck fue amigo suyo) se marchó a Bonn, Alemania, en 1872, en donde fue alumno de Kekulé, que le prestó muy poca atención. Pasó algún tiempo en París antes de regresar a Holanda.

         No esperó a completar su educación para empezar su carrera. En 1874, a la edad de veintidós años y faltándole solo unos cuantos meses para acabar su doctorado, publicó un alarmante escrito sobre la estructura de los compuestos orgánicos. A los químicos se les había presentado el enigma durante más de medio siglo de que algunos compuestos orgánicos eran óptimamente activos y otros no. Desde Biot se había dicho que esto era debido a cierta clase de asimetría, pero la naturaleza y localización de esa asimetría permanecía en un misterio. Pasteur la había localizado en cristales, pero eso no servía para la actividad óptica de sustancias en solución.

         Van´t Hoff sugirió que la asimetría residía en las mismas moléculas. Este describió las cuatro valencias del carbono (cada una representada por una pequeña raya o unión) no en dos dimensiones dirigidas hacia los cuatro ángulos de un cuadrado, como había hecho Couper, sino en tres dimensiones, hacia los cuatro ángulos de un tetraedro. Cuando se pensó en este arreglo tridimensional se aclararon las cosas. Si se unían diferentes grupos a las cuatro uniones del carbono, resultaba una posición asimétrica y dos compuestos, imagen invertida uno respecto del otro. Eran precisamente estos compuestos asimétricos los que mostraban la actividad óptica (que hacían girar el plano de luz polarizada), los otros no lo hacían. Teoría similar la planteó otro joven, Le Bel, y los dos compartieron el honor y el crédito de su descubrimiento.

         Esta teoría de la distribución espacial de las valencias del carbono fue muy combatida por algunos de los químicos más conservadores, como Kolbe, que creía que estas valencias eran ficciones útiles y que al dar dirección real a las del carbono era ir demasiado lejos. Pero la teoría de Van´t Hoff explicaba tantas cosas que se aceptó al fin por completo, y durante medio siglo sirvió como guía adecuada para la teoría estructural de la química orgánica. Por supuesto, una idea más sutil de la valencia química se originó con el trabajo de hombres como Pauling en los años de 1930, pero la teoría de Van´t Hoff es todavía hoy el modo más sencillo de explicar a los estudiantes la actividad óptica.

         El renombre de Van´t Hoff no sufrió demasiado por el influjo de Kolbe, ya que unos meses más tarde le ofrecieron un puesto de profesor de Química, Mineralogía y Geología en la Universidad de Ámsterdam, en donde empezó con sus obligaciones en 1878. En seguida desvió su atención, desde la química orgánica, hacia el nuevo campo de física-química fundado por Ostwald.

         Trabajó en termodinámica y en 1884 publicó el resultado de sus investigaciones. Estas consistían, entre otras cosas, en una exposición excelente de la acción de la masa y sobre termodinámica química. En esto no tuvo suerte porque gran parte de su trabajo había sido realizado hacía más de una década antes por Gibbs, Guldberg y Waage (aunque era desconocido por parte de la comunidad científica de Alemania y Francia).

         Siguió trabajando, sin embargo, en termodinámica y se interesó particularmente en los problemas de las soluciones diluidas. En 1886 señaló que, en cierto modo, las simples leyes que gobiernan los gases podían aplicarse a la sustancia disuelta, diluida en el disolvente líquido. Era como si las moléculas disueltas se moviesen en el líquido como las moléculas gaseosas se mueven en el espacio. Estudió esta teoría en la década siguiente, que condujo a la mejor comprensión de las soluciones, aunque aquí también le atacaron violentamente, esta vez fue Lothar Meyer, pero de nuevo los ataques no le dañaron.

         En 1893 recibió la medalla Davy de la Royal Society. En 1896 se trasladó de Ámsterdam a Berlín y pasó la última etapa de su vida estudiando la mezcla de sales que se encontraron en los depósitos de Stassfurt. En 1901, cuando se establecieron los premios Nobel, Van´t Hoff fue el primero que tuvo el honor de recibir el de química, por sus trabajos en soluciones.

WILLIAM LAWRENCE BRAGG

Nobel Física-1915

        William Lawrence Bragg es el hijo de William Henry Bragg y nació mientras su padre era profesor en la Universidad de Adelaida. Igual que su padre estudió matemáticas y física, primero en Adelaida y después en el Trinity College en Cambridge.

         Cuando era todavía estudiante estaba intrigado por el trabajo de Laue, que había producido la difracción de los rayos X haciéndolos pasar a través de un cristal. A pesar de que él estaba en Cambridge y su padre en Leeds trabajaron juntos en el mencionado problema.

         Desarrollaron los detalles matemáticos relacionados con la difracción, demostrando la manera de calcular las longitudes de onda de los rayos X y deduciendo algunos hechos relacionados con la estructura de los cristales por la forma de la difracción de los rayos X. Por ejemplo, era posible demostrar que los cristales de sustancias tales como el cloruro sódico no contenían moléculas reales de cloruro sódico, sino solo iones de sodio e iones de cloro colocados con regularidad geométrica. En el caso del cloruro sódico, cada ion de sodio equidistaba de seis iones de cloro, mientras que cada ion de cloro equidistaba de seis iones de sodio. No existía conexión especial entre un ion de sodio en particular y un ion de cloro.

         Este descubrimiento tuvo un profundo efecto en la química teórica y llevó, por ejemplo, al nuevo concepto de disociación iónica de Debye.

         Los resultados de los experimentos se publicaron en 1915 bajo los nombres de padre e hijo, que compartieron el premio Nobel de física de aquel año. El hijo realizó la hazaña poco corriente de recibir el premio Nobel a la edad de veinticinco años.

         En 1919 William Lawrence Bragg aceptó una cátedra de física en la Universidad de Manchester y en 1938 fue nombrado profesor de física en Cambridge. Fue condecorado en 1941.

WILLIAM HENRY BRAGG

Nobel Física-1915

         Bragg se educó en el Colegio King William de la isla de Man, donde se interesó en matemáticas. En 1881 fue a la Universidad de Cambridge, terminó en el puesto tercero de la clase de matemáticas y se decidió a estudiar física como alumno de J. J. Thomson. En 1886 le ofrecieron el puesto de profesor en la Universidad de Adelaida, en Australia, lo aceptó y permaneció en él hasta 1908.

         En 1903 se le presento el momento decisivo de su vida, cuando dio una conferencia en la Asociación Australiana para el Progreso de la Ciencia. Escogió el tema de los recientes descubrimientos de Becquerel de la radioactividad y de la estructura atómica, según los esposos Curie y otros. Se interesó tanto en esto que decidió dedicarse a la investigación radioactiva.

         Bragg empezó por señalar, según consideraciones teóricas, que las partículas alfa producidas por los átomos radioactivos debían de tener una energía y, por lo tanto, una esfera de actividad determinada, es decir, debían recorrer una distancia dada a través del espacio o de otra sustancia hasta que fuesen absorbidas. Midió el alcance de dichas partículas alfa y se encontró que no era solo uno, sino que había varios, perfectamente diferentes. Esto explicaba las teorías de Rutherford en que sostenía que los elementos radioactivos se escindían en etapas y que los átomos intermedios podían producir sus propias partículas alfa. Los distintos alcances observados por Bragg representaban claramente partículas alfa producidas por los átomos intermedios en las series radioactivas. Este descubrimiento fue lo bastante importante para hacer de Bragg una figura prominente en el campo de la radioactividad.

         A su regreso a Inglaterra en 1909 aceptó el puesto de profesor en la Universidad de Leeds, en 1915 se trasladó a Londres. Cuando estaba en Leeds se enteró del trabajo de Laue sobre la difracción de rayos X a través de cristales y se interesó inmediatamente en ese fenómeno. El hijo de Bragg, William Lawrence, estudiaba en Cambridge por aquella época, colaboró con su padre en ese estudio y fue él el que llevó la iniciativa y dirección. Juntos consiguieron métodos para determinar las longitudes de onda de los rayos X por difracción cristalina y compartieron el premio Nobel de física en 1915 (un año antes se lo habían concedido a Laue.) Los Bragg  son los únicos que forman la combinación padre-hijo que haya sido premiada de esa manera.

         Bragg fue otro de los científicos de primer rango que escribió  acerca de la ciencia de una manera amena para el público en general, como en Concerning the Nature of Things (Concerniente a la naturaleza de las cosas), publicado en 1925.

         Durante la Primera Guerra Mundial dirigió un grupo de investigación que inventó el hidrófono para localizar a los submarinos. Le hicieron Caballero en 1920, más adelante sustituyó a James Dewar como director de la Institución Real de Gran Bretaña y en 1935 le eligieron presidente de la Royal Society. Durante la Segunda Guerra Mundial fue el presidente del Comité Científico de la Alimentación en Inglaterra. No vivió lo suficiente para ver la victoria de los aliados.

HEIKE KAMERLINGH-ONNES

Nobel Física-1913

         Los primeros estudios los realizó en su ciudad natal, entró en la Universidad de Groninga en 1870. Al año siguiente fue a Heidelberg, en donde fue alumno de Bunsen y de Kirchhoff. Volvió a Groninga para doctorarse (premiado por los estudios sobre nuevas pruebas de rotación de la Tierra), le nombraron profesor de física experimental en Leiden en 1882. Fundó el Laboratorio Criogénico, en donde se sondearon temperaturas extremas y que hicieron de Leiden el centro más famoso mundial de la investigación del frío.

         Kamerlingh-Onnes escogió el trabajo basado en bajas temperaturas  por el interés que tenía en las investigaciones de su compatriota Van der Waals. Le pareció que para estudiar el comportamiento de los gases era necesario medir exactamente su volumen, presión y temperatura, y que esas determinaciones tenían que hacerse a temperaturas muy bajas, que se obtenían con gases licuados, por lo que su interés se fijó en el problema de licuarlos, principalmente el helio, que desafiaba todos los esfuerzos de licuefacción en la primera década del siglo veinte.

         Kamerlingh-Onnes construyó un aparato muy complicado que enfriaba el helio por evaporación del hidrógeno líquido, por medio del efecto Joule-Thomson según el arreglo de Dejar. El resultado fue que en 1908 se obtuvo por primera vez helio líquido. Se recogió en un frasco que estaba contenido en otro mayor que contenía hidrógeno líquido, que a su vez estaba en el interior de otro con aire líquido. El helio líquido tenía una temperatura de solo cuatro grados sobre el cero absoluto. En 1910 encontró un medio para bajar aún más esa temperatura. Al dejar evaporar una parte del helio líquido, el restante (todavía líquido) se pudo enfriar  hasta 0,8 grados sobre el cero absoluto. En toda su vida no consiguió producir helio sólido, unos cuantos meses después de su muerte uno de sus colaboradores lo consiguió al combinar las bajas temperaturas con las altas presiones.

         En la hazaña de licuar el helio hubo algo más que conseguir un nuevo record en temperaturas extremadamente bajas o en conseguir la licuefacción del último gas. Estudió las propiedades de las sustancias a la temperatura del helio líquido y en 1911 hizo el descubrimiento de que ciertos metales como el plomo y el mercurio a tal temperatura sufren una pérdida total de resistencia eléctrica. Así fue descubierto el fenómeno de la superconductividad. Descubrió también que se puede destruir la superconductividad a esas temperaturas, exponiendo el metal a un campo magnético de cierta intensidad.

         Se encontraron propiedades singulares en las proximidades del cero absoluto. Se descubrió una forma de helio líquido (helioII) que tenía propiedades completamente distintas a todas las sustancias. Se abrió un nuevo mundo del frío extremo. Hubo una gran aplicación de todas las consecuencias en sectores como la supercomputación.

         Kamerlingh-Onnes recibió en 1912 la medalla Rumford de la Royal Society, y en 1913 recibió el premio Nobel de física por sus trabajos sobre la licuefacción del helio.

PIERRE DE FERMAT

Fermat era consejero del parlamento de Toulouse y llenaba su tiempo libre con la dedicación a las matemáticas. Considerando lo que por ellas hizo se piensa qué hubiera hecho si se hubiera dedicado de lleno a ellas.

Fermat tuvo la mala costumbre de no publicar nunca nada, sino anotar y hacer cálculos en los márgenes de los libros y ocasional y casualmente escribir sus descubrimientos en cartas mandadas a sus amistades.

El resultado de ello fue el perderse el honor de acreditarse el descubrimiento de la geometría analítica, que hizo al mismo tiempo que Descartes. Descartes solo consideró dos dimensiones en su análisis formal, mientras que Fermat utilizaba las tres dimensiones. Fermat tampoco pudo adjudicarse el descubrimiento de algunas características del análisis matemático que más tarde sirvieron de inspiración a Newton. (Sin embargo, no le hubiera importado de haberlo sabido. Se dedicó a las matemáticas para su entretenimiento personal y esto estuvo a su favor). Fermat, junto con Pascal, fundó la teoría de las probabilidades. También se ejercitó en el estudio de los números enteros, siendo el primero que lo hizo desde el estado en que lo había dejado Diofanto. Esto concede a Fermat el título de fundador de la “Teoría de los números”.

En aritmética obtuvo su <éxito> más resonante, unas palabras suyas estuvieron en boca de todos los matemáticos durante más de tres siglos. En el margen de un libro de Diofanto garrapateó una nota diciendo que había encontrado cierta ecuación (x^n + y^n = z^n , siendo n mayor que 2) sin solución expresable en números enteros, aunque no le quedaba espacio en el margen para demostrarlo. En los siguientes tres siglos, matemáticos, entre ellos los más famosos, se han devanado los sesos buscando la demostración de lo que llamaron <último teorema de Fermat> sin encontrarla. En 1908 un profesor alemán dejó en su testamento la suma de cien mil marcos como premio al que encontrara una demostración para este teorema.

MAX THEODOR FELIX VON LAUE

Nobel Física-1914

Laue, hijo de un oficial de la armada, pasó su juventud en los distintos destinos de su padre, que le llevaron a sitios muy diferentes. Fueron muchos los colegios, pero fue en el Instituto de Estrasburgo donde cristalizó su interés por la ciencia. En 1899 entró en la Universidad de Estrasburgo, dedicándose a la física teórica. Obtuvo su título de doctor en 1903 y en 1905 volvió a la universidad como ayudante de Planck.

En 1909 Laue entró a formar parte del profesorado de la Universidad de Munich, donde empezó a trabajar con rayos X. Después del descubrimiento de los rayos X por Roentgen en la década precedente había surgido la controversia a propósito de la naturaleza exacta de la radiación. Algunos opinaban que consistían en partículas, como ocurría con los rayos catódicos, otros (incluyendo al propio Roentgen) optaban por considerarlos ondas longitudinales semejantes a las sonoras, y otros sugerían que los rayos X eran ondas electromagnéticas transversales como las de la luz. Los trabajos de Barkla habían demostrado, casi con certeza, que la tercera alternativa era la correcta. Sin embargo, hasta que pudo medirse la longitud de onda real de los rayos X fue difícil clausurar el problema.

La longitud de onda de la luz normal se puede medir por la magnitud de la difracción de un cierto rayo monocromático usando un retículo graduado en el cual las marcas están separadas entre sí por distancias conocidas. Cuanto más corta es la longitud de onda, las marcas de la graduación deben de estar más próximas entre sí para poder llevar a cabo una medida eficiente. El problema consistía en que toda la evidencia parecía indicar que la longitud de onda de los rayos X era mucho más corta que la de la luz normal, y para hacer posible la difracción de los rayos X era necesario usar una graduación mucho más fina de lo que era posible con las técnicas disponibles en aquella época.

A Laue se le ocurrió que no era necesario construir una graduación de ese tipo. Un cristal consistía en capas de átomos distanciadas tan regularmente como las marcas de una escala graduada de cualquier retículo hecho por el hombre, pero al mismo tiempo mucho más próximas entre sí. Un haz de rayos X dirigido en dirección a un cristal debería sufrir una difracción lo mismo que la luz normal la sufría con un retículo normal. Sin embargo, puesto que el cristal tenía <líneas> de átomos en varias direcciones, los resultados serían más complicados. Se obtendrían rayos situados a distancias y ángulos variables del centro que dependerían de la estructura del cristal.

En 1912 Laue probó el experimento con un cristal de sulfuro de cinc que sirvió perfectamente. Se obtuvo una imagen que se recogió en una placa fotográfica. Esto fue el punto decisivo y final de que los rayos X eran ondas electromagnéticas. Los resultados fueron muy productivos por partida doble. Primero, ofreció un método de medida de la longitud de onda de los rayos X utilizando un cristal de estructura conocida y midiendo la cantidad de difracción. (Esto lo llevó a cabo Bragas casi inmediatamente.) Segundo, al usar los rayos X de conocida longitud de onda era posible estudiar la estructura atómica de los cristales, que hasta entonces era desconocida. Se podía incluso, como se vio más tarde, usar para el estudio de los polímeros, con sus moléculas gigantes que mostraban regularidades internas necesarias para la difracción de los rayos X. En 1953 estos trabajos alcanzaron el clímax con los estudios sobre difracción de los rayos X en los ácidos nucleicos, llevados a cabo por Wilkins.

Laue fue galardonado con el premio Nobel de física en 1914 por estos trabajos. En 1919 fue nombrado profesor de física teórica en la Universidad de Berlín, puesto que conservó hasta que lo abandonó en 1943 como protesta contra los nazis. (Ya en 1939 tuvo la ocasión de visitar Suiza para poner de manifiesto su antinazismo al denunciar la política de Hitler que obligaba a los alemanes a no aceptar los premios Nobel.) Después de la guerra volvió para ocupar el puesto de director del Instituto Max Planck de Físico-química.

EDMUND HALLEY

         Ya desde su época de colegial, Halley mostró interés por la astronomía y a la edad de veinte años empezó a recoger datos de las estrellas del hemisferio Sur. Todos los astrónomos anteriores a él solo se habían interesado por las estrellas visibles del hemisferio Norte y las del Sur estaban sin observar, exceptuando algunos datos aportados por marineros y exploradores.

         Halley estableció el primer observatorio astronómico del hemisferio Sur en la isla de Santa Elena, en el Atlántico meridional (siglo y medio más tarde dicha isla se hubo de hacer famosa por ser la última mansión de Napoleón Bonaparte). Luego aconteció que el clima de la isla era bastante inadecuado para las observaciones astronómicas, y Halley al volver a Inglaterra no pudo publicar más que un catálogo con 341 estrellas de dicho hemisferio. Esto, sin embargo, representaba una nueva y a la vez muy digna aportación al mapa de estrellas y le hizo ganar mucha fama.

         En Inglaterra se hubo de convertir pronto en un amigo para toda la vida de Newton y fue gracias a él y a su ayuda económica lo que permitió a Newton la publicación de su Principia Matemática.

         Los principios de la gravitación de Newton eran fácilmente aplicables a los distintos planetas e incluso a la Luna, pero se dudaba de hasta que punto podían encajarse en él los cuerpos que por el espacio no seguían ninguna ley especial, como eran los cometas que parecían surgir y desaparecer repentinamente. Halley empezó en seguida a tratar este problema y con la ayuda de Newton, recopiló todos los datos que pudo de numerosos cometas, trazando sus itinerarios por el espacio. (En 1679, Halley fue a visitar al anciano Hevelius, por entonces la máxima autoridad en cometas, y posiblemente esto estimulara su interés por los mismos.)

         Uno de los cometas que Halley descubrió personalmente fue el de 1682. En 1705, cuando tenía en su lista los movimientos de un par de docenas de cometas, se quedó asombrado por la similitud del itinerario del cometa de 1682 con los que habían aparecido en 1456, 1531 y 1607. Estos habían aparecido con intervalos de 75 o 76 años y se le ocurrió pensar si se trataría de un mismo cometa con una órbita muy alargada alrededor del Sol, haciéndose solo visible cuando se aproximaba a la Tierra. Cuando se dejaba de ver, se suponía que era porque se trasponía bastante por detrás de saturno, el planeta más alejado de los entonces conocidos.

         Halley dijo que tal cometa volvería a aparecer hacia 1758, aunque sabía que la interferencia de la gravitación de algunos de los planetas podía alterar el curso de alguna forma respecto a su órbita y hacerlo aparecer fuera del tiempo predicho. (Clairaut demostró más tarde la veracidad de esto.)

         A pesar de que Halley no vivió para verlo aparecer de nuevo (tenía que haber vivido 102 años, pero se murió a los 86, dentro del siglo del nacimiento de Newton), el cometa volvió a aparecer, con las correcciones calculadas por Clairaut. Se ha conocido desde entonces como Cometa Halley y ha vuelto a aparecer en 1835, 1910 y 1986.

         Tras el trabajo de Halley, los cometas se dominaron por completo y para siempre, demostrándose que estaban tan sujetos al Sol como lo podía estar la Tierra. Si los movimientos de los cometas parecían ser erráticos era solo porque sus órbitas eran tan alargadas que algunos podían aparecer solo en intervalos de miles de años y permanecer visibles durante pequeñísimas porciones de su órbita total.

         Halley volvió a repetir la sugerencia de Kepler que decía que el tránsito de Venus podía servir para determinar una escala para el sistema solar y dicha sugerencia tuvo grandes frutos tras la muerte de Halley.

         En 1718 hizo notar que al menos tres estrellas, Sirio, Proción y Arturo habían cambiado de posición claramente desde los tiempos de los griegos y que además desde la época de Tycho Brahe (con mediciones muy precisas) también era perceptible un pequeño desplazamiento y esto era solo desde hacía siglo y medio. De esto sacó la conclusión que las estrellas tenían movimientos particulares apenas perceptibles en cortos periodos de tiempo por la gran distancia que nos separaba de ellas. Después de todo, las estrellas tampoco resultaron ser fijas.

         En 1720 murió Flamsteed, el enemigo acérrimo de Halley y el puesto de astrónomo de la corte quedó vacante. Halley fue elegido como tal, heredando un observatorio prácticamente sin instrumento alguno, ya que los que allí se habían utilizado eran propiedad personal de su antecesor y al morir este se los llevaron, sus herederos o tal vez sus acreedores.

         Halley introdujo nuevo instrumental en el observatorio y dedicó los veinte años que ocupó el puesto a observaciones meticulosas de la Luna.

BLAISE PASCAL

         Pascal fue un niño prodigio y gracias a ello se destacó, pues además de que su vida fue corta, dedicó la última década de ella a la teología y al examen de su conciencia.

         Su padre, que fue matemático y funcionario del gobierno, supervisó la educación de su hijo y determinó que debía instruirse en el estudio de las lenguas antiguas, prohibiendo, por tanto, su acceso a los libros de matemáticas.

         Siendo joven preguntó una vez, cuál era la naturaleza de la geometría, a lo que se le contestó, que trataba del estudio de formas y figuras. Según una historia que cuenta su hermana (se antoja algo exagerada), se dice que descubrió por sí solo los treinta y dos teoremas de Euclides en su orden correcto. Independientemente de la veracidad o no de esta historia, el padre, asombrado y reverencioso a la vez, cedió de su empeño y dejo que el niño estudiara matemáticas.

         Con solo 16 años, Pascal publicó un libro que trataba de la geometría de las secciones cónicas que dio un primer avance a lo que estaba sin tocar desde hacía 19 siglos, donde lo dejó Apolunio. Descartes se negó a creer que un niño de 16 años lo había escrito.

         A la edad de 19 años inventó una máquina de sumar y restar que lo hacía por un mecanismo de ruedas dentadas. Esta máquina, construida para ayudar a su padre con las cuentas, es el antepasado de los inventos de este tipo que acabaron transformándose en las cajas registradoras.

         Pascal mantuvo correspondencia con el abogado y matemático Fermat, y juntos resolvieron problemas que les enviaba un caballero jugador, a la vez que aficionado a la filosofía. Este caballero se preocupó al ver cómo perdía dinero casi siempre al apostar por ciertas combinaciones al tirar tres dados. Intentando resolverlo, los dos matemáticos fundaron la moderna teoría de las probabilidades.

         Esto tuvo una importancia trascendental en el desarrollo de la ciencia al quitarle a las matemáticas (y al mundo en general) la obsesión por la certeza absoluta. El hombre empezó a ver que se pueden sacar consecuencias útiles y dignas de confianza a partir de materias completamente inciertas.

         Dos siglos más tarde otro físico matemático, Maxwell, aplicó estas consideraciones al comportamiento de la materia, sacando resultados del invisible, inseguro y absolutamente imprevisible movimiento individual de los átomos.

         Pascal también se dedicó a la física. Estudiando el comportamiento de los fluidos, dedujo que la presión que se ejercía sobre la superficie de un fluido se transmitía  por todo el fluido contenido en el recipiente y actuaba en dirección perpendicular a las paredes del mismo. Esto se conoce como Principio de Pascal, constituyendo la base de la prensa hidráulica, que luego Pascal describió en teoría.

         Si hacemos presión sobre un émbolo pequeño en un extremo del recipiente, ésta se transmite por el fluido levantando otro émbolo mayor colocado en otro lugar del recipiente, la fuerza que empuja el émbolo mayor será a la fuerza que empuja al menor como lo es la superficie del émbolo mayor que actúa sobre el fluido a la superficie del menor. Esta multiplicación de la fuerza proviene que el émbolo menor tiene que recorrer una distancia proporcionalmente mayor a la que recorre el grande. Al igual que en la palanca de Arquímedes, el producto de la fuerza por la distancia vale igual en los dos lados. De hecho, la prensa hidráulica es una palanca.

         Pascal también se interesó en la nueva idea que sobre la atmósfera había iniciado Torricelli. Si la atmósfera pesaba, dicho peso disminuiría con la altura, ya que mientras más se subiera uno menos aire le iba quedando por encima. Esta disminución en el peso de atmósfera se podía registrar en un barómetro.

         Pascal era un enfermo crónico que sufría continuamente de indigestión y jaquecas, lo que le hizo imposible subir montañas. Sin embargo, en 1646 mandó a su joven y fuerte cuñado con dos barómetros para que subiera por el Puy de Dôme (monte cercano al lugar de nacimiento de Pascal). El cuñado vio que, después de subir aproximadamente un kilómetro y medio, las columnas de mercurio habían bajado su nivel siete centímetros y medio. Esto acabó por establecer definitivamente las teorías de Torricelli, a pesar de las dudas que de ellas tenía Descartes. (Pascal repitió el experimento de Torricelli con vino tinto en vez de mercurio. Al ser éste aún más ligero que el agua, Pascal tuvo que usar un tubo de unos 18 metros de alto para que contuviera la cantidad necesaria de líquido para contrarrestar el peso de la atmósfera).

         En 1646 Pascal cayó bajo la influencia del jansenismo (secta católica antijesuítica). Al cabo de unos años su convicción se intensificó tanto que le hizo pasar el resto de sus días dedicado a la meditación, al ascetismo, a escribir libros religiosos (que incluyen los famosos Pensamientos) y a sufrir enfermedades. Sus escritos fueron brillantes y sirvieron de inspiración a Voltaire, y Pascal no volvió a insistir más en temas científicos ni matemáticos, a excepción de una semana del año 1658, que se desvivió por resolver un problema matemático (que resolvió brillantemente) para distraer su mente de un fuerte dolor de muelas que le atacaba. En sus últimos años Pascal declaró que la mente no podría alcanzar nunca una interpretación del universo físico, con lo que coincidió con la idea de Tales.

WILHELM WIEN

Nobel Física-1911

Wien era hijo de un terrateniente que tenía una posición que le permitía conseguir una buena educación, pero también tenía sus inconvenientes, en los años comprendidos entre 1886 y 1890 tuvo que interrumpir sus estudios para dedicarse a dirigir la hacienda de la familia durante la enfermedad de su padre. Tuvo la suerte de tener como profesor a Helmholtz.

En los años de 1890 empezó a trabajar en el problema de la radiación. Una generación antes Kirchhoff había elaborado su teoría de que los cuerpos calientes irradian las longitudes de onda que absorben cuando están fríos, un cuerpo que absorbía todas las longitudes de onda era, a causa de ello, perfectamente negro e irradiaría todas las longitudes de onda al calentarse. Como Prévost había señalado un siglo antes, la cantidad de radiación se elevaba con la temperatura. Unos quince años antes Stefan había utilizado la termodinámica para mostrar el aumento de esa radiación exactamente.

Wien se interesó en la naturaleza y en la cantidad de radiación. El y sus colegas hicieron experimentos con el equivalente práctico de un cuerpo negro, una cámara cerrada y calentada con un pequeño agujero en ella. Una luz cualquiera de longitud de onda variable, al entrar por el agujero era absorbida en el interior y no se reflejaba, así que por ese orificio podrían salir radiaciones de cualquier longitud de onda del cuerpo negro.

Por la observación de las radiaciones emitidas y según un razonamiento termodinámico, demostró Wien en 1893 que las longitudes de onda alcanzaban su máximo en un nivel intermedio. La longitud de onda en este máximo variaba inversamente proporcional a la temperatura. Por esa razón, a medida que la temperatura se elevaba, el color predominante variaba hacia el azul final del espectro. Los cuerpos moderadamente calientes irradiaban con preferencia en el infrarrojo, al cual somos visualmente insensibles, pero a medida que se elevaba la temperatura, el máximo se inclinaba hacia el rojo visible y el cuerpo caliente empezaba a resplandecer. Al seguir aumentando la temperatura el resplandor era primero rojo apagado, rojo brillante, amarillo claro, y por fin, azul pálido. Estrellas extremadamente calientes irradian principalmente en luz ultravioleta, a la cual somos insensibles, y los objetos supercalientes, como la corona del Sol, irradian en la región de los rayos X. Este desvío del máximo de la longitud de onda por la temperatura, se llama ley del desplazamiento de Wien.

Wien trató de desarrollar una ecuación que describiese la distribución de todas las longitudes de onda de las radiaciones del cuerpo negro para todas las temperaturas y no solamente para la máxima. Tuvo que suponer algunas cosas, pero consiguió una ecuación que se ajustaba a la distribución observada de la radiación de las ondas cortas (alta frecuencia). Por otra parte, Rayleigh consiguió otra ecuación que se ajustaba a las ondas largas y no a las cortas. Como resultado de esta deficiencia, Planck se sintió atraído al final de esa década a idear la teoría cuántica que colocó la cuestión de la energía y a la física en general en un sendero más comprensible.

Wien se interesó después en los rayos X y catódicos que inauguraban la segunda revolución científica. Aunque hizo un buen trabajo en ese campo fue sobrepasado por otros.

En 1911 recibió el premio Nobel de física por su trabajo en la radiación del cuerpo negro.

JOHANNES DIDERIK VAN DER WAALS

Nobel Física-1910

  

         Van der Waals había estudiado ya mucho él solo cuando ingresó en la Universidad de Leiden en 1862. Su tesis doctoral versó sobre la naturaleza de los gases y su fase líquida, que atrajo mucho su atención, y que fue la nota dominante en su larga vida dedicada a la investigación. Le nombraron profesor de física en la Universidad de Ámsterdam en 1877, donde permaneció hasta su retiro, treinta años después.

         El trabajo de su vida representa una mejora decisiva en la anticuada obra clásica de Boyle y Charles. Boyle había descubierto la relación entre presión y volumen, y Charles había logrado con bastante precisión la que existía entre temperatura y volumen. Las dos relaciones se combinaban en una ecuación:

R=P*V/T

donde P representa a presión de una cantidad de gas, V su volumen y T su temperatura absoluta. R representa una constante. En condiciones ideales en una muestra de gas, si una de las tres variables se variaba, los otros dos valores se ajustaban para mantener el valor de R constante.

         Sin embargo, esto no es completamente exacto en la realidad. En algunos gases la ecuación es casi exacta y tanto más cuanto más se eleve la temperatura y descienda la presión. Se creyó que para un gas ideal o “perfecto” era completamente válida y sin parangón.

         Van der Waals se interesó en el por qué la ecuación de los “gases perfectos” no respondía a los gases reales. Meditó en la teoría cinética de los gases realizada por Maxwell y Boltzmann. Se podía aceptar la ecuación de los gases perfectos admitiendo dos suposiciones: que no había fuerzas de atracción entre las moléculas de un gas y que estas moléculas tenían de tamaño cero. Ninguna de las suposiciones es correcta, hay pequeñas fuerzas de atracción entre las moléculas de un gas y aunque pueden ser de un tamaño pequeñísimo no es cero. Teniendo en cuenta esto, Van der Waals, en 1873 hizo una versión algo más complicada de la ecuación de los gases, en la que introducía dos constantes más. Estas constantes eran diferentes para cada gas y tenían que determinarse para que fuese perfecta porque en cada gas las moléculas tienen un tamaño particular y ejercen distintas atracciones intermoleculares.

         Al usar la temperatura, presión y volumen de un gas en su punto crítico (donde el gas y el líquido tienen igual densidad y no pueden distinguirse uno del otro) Van der Waals consiguió otra ecuación que no necesitaba constantes nuevas y que era válida para cualquier gas.

         Como resultado del trabajo de Van der Waals se descubrió que el efecto Joule-Thomson de que un gas se enfría cuando se le permite expansionarse, solo era exacto por debajo de una cierta temperatura, que es característica para cada gas. En la mayor parte de los gases esta temperatura es lo suficientemente alta para que los físicos trabajen con comodidad con los gases enfriados por el método de Joule-Thomson. Pero el hidrógeno y helio tienen esa temperatura característica muy baja  y su licuefacción no se pudo efectuar por expansión (el método más conveniente y usado), cosa que consiguieron bajando la temperatura hasta ese punto por otros métodos. Solamente cuando se consiguió ese descenso fue cuando Dejar y Kamerlingh-Onnes pudieron aproximarse al cero absoluto.

         En 1910 recompensaron a Van der Waals con el premio Nobel de física por su trabajo en la ecuación de los gases.