Quién se acuerda de John Bardeen este año que se cumplen 100 años de su nacimiento

John Bardeen tiene el honor de ser el único científico que ha recibido 2 premios Nobel en Física por el descubrimiento del transistor y por su teoría de la superconductividad. Frederick Sanger ganó el Premio Nobel de Química en dos ocasiones en 1958 y 1980, Marie Curie ganó el de Física en 1903 y el de Química en 1911, y Linus Carl Pauling el de Química en 1954 y el Premio Nobel de la Paz en 1962. Merece la pena recordarlo este año que se cumplen 100 años de su nacimiento. La entrada de la wiki es breve pero efectiva. Su biografía más famosa es “TRUE GENIUS. THE LIFE AND SCIENCE OF JOHN BARDEEN. The Only Winner of Two Nobel Prizes in Physics,” Lillian Hoddeson y Vicki Daitch, Joseph Henry Press, Washington, 2002 . 

John Bardeen bajaba despacio por el corredor del edificio de física, parecía perdido en sus pensamientos, era el 1 de noviembre de 1956, llevaba 5 años siendo catedrático de física en la University of Illinois, trataba de digerir la noticia que había recibido esa misma mañana: él y dos de sus colegas, William Shockley y Walter Brattain, habían ganado el Premio Nobel de Física por la invención del transistor en diciembre de 1947, cuando trabajaba en los Bell Telephone Laboratories.

La compañía telefónica Bell quería reemplazar los amplificadores basados en tubos de válvulas de vacío por algún nuevo dispositivo, más barato y con mayor proyección tecnológica. El líder del grupo de semiconductores, Shockley, tras la llegada de Bardeen a finales de 1945, le encargó que estudiara el porqué cierto diseño de amplificador basado en silicio no funcionaba. Schockley había diseñado dicho dispositivo varios meses antes utilizando las mejores teorías mecánico-cuánticas disponibles y según sus cálculos el dispositivo tenía que amplificar señales, sin embargo, no lo hacía. Bardeen encontró una explicación: los electrones eran confinados en las superficies de los materiales que formaban el dispositivo. Bardeen y Brattain estuvieron 2 años trabajando intensamente en el estudio de estos estados electrónicos superficiales con objeto de obtener su invención, el transistor. Shockely no intervino como tal en este invento. Sin embargo, supo aprovecharse de su situación de líder del grupo. Echó a Bardeen y Brattain de su grupo y se encargó de liderar el desarrollo de los transistores de segunda generación. Desde entonces, muchos creen que Shockley fue inventor del transistor, sin embargo, se limitó a ser “jefe”.

Al modesto Bardeen nunca le importó que Shockley asumiera el papel de “estrella de Hollywood” en el invento del transistor. De hecho, Bardeen nunca pensó que el transistor fuera un invento lo suficientemente importante como para recibir el Premio Nobel de Física. El nunca pensó que su invención fuera un avance científico de primera magnitud. De hecho, en 1956, el transistor todavía no había revolucionado las tecnologías de la información y las comunicaciones.

En 1956, la “cabeza” de Bardeen le daba vuelta a otros asuntos “más importantes”. Junto a un alumno postdoc, Leon Cooper, y a un alumno de doctorado, J. Robert Schrieffer, estaba involucrado en el desarrollo de una teoría para la superconductividad. Según Bardeen, su trabajo en esta teoría sí merecía un Premio Nobel en Física, ya que la superconductividad era el problema de la física del estado sólido más importante desde la década de los 1920. Bardeen llevaba trabajando en este problema desde finales de los 1930s. Unos meses después de que Bardeen regresara desde Estocolmo con su Nobel bajo el brazo, Bardeen, Cooper, y Schrieffer resolvieron el problema de la superconductividad, inventando la teoría llamada BCS en su honor. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) de la superconductividad ha sido uno de los momentos cumbre de la física del siglo XX. Conceptos tan importantes como la ruptura espontánea de la simetría y la generación de masa asociada a ella (la razón por la que se busca el bosón de Higgs en el LHC del CERN) parten de la teoría BCS de la superconductividad.

La teoría BCS fue todo un triunfo para la física teórica, poder explicar la superconductividad descubierta en 1911, cuando los mejores teóricos del mundo, entre ellos Richard Feynman, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, y Lev Landau, habían tratado de lograrlo infructuosamente. Felix Bloch llegó a decir “toda teoría de la superconductividad puede ser refutada,” ilustrando la gran frustación de todos los teóricos que atacaron dicho problema.

Cuando el comité Nobel premió en 1972 a Bardeen, Cooper, and Schrieffer con el Nobel de Física, era la primera vez que un físico recibía un segundo premio Nobel en el mismo campo. Bardeen cambió la física moderna tanto como Einstein, con dos invecciones de primera magnitud, y sin embargo, como tituló el periódico Chicago Tribune: “Para los científicos Bardeen es un Einstein. Para el público en general es un … ¿John qué?”.

¿Por qué el padre de la Era de la Información es un desconocido para el gran público? Quizás la culpa la tiene el propio Bardeen, el ejemplo perfecto del “genio modesto”.

Por qué costó 23 años que se aceptara la teoría del electromagnetismo de Maxwell

La revista Microwave Journal celebra este año sus 50 años con una serie de artículos sobre la historia de su industria, las tecnologías de microondas, fundamentales, por ejemplo, para la comunicación mediante teléfonos móviles (celulares). Me ha gustado el artículo de James C. Rautio, “Twenty Three Years: The Acceptance of Maxwell’s Theory,” Microwave Journal, Vol. 51, No. 7, July 2008 .

En 1865, cuando la Guerra Civil Americana estaba acabando, Maxwell publicó “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” en las Transactions de la Royal Society , Vol. CLV, un artículo que había presentado oralmente en diciembre de 1864. En su artículo afirmaba que “la luz y el magnetismo son resultado de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga de acuerda con las leyes del electromagnetismo.” Obtuvo este resultado tras comparar varios valores que medían la velocidad de la luz, en concreto 314.858.000 m/s (M. Fizeau), 298.000.000 m/s (M. Foucault) y 308.000.000 m/s (por aberración estelar), con el resultado de sus cálculos teóricos.

Maxwell resolvió uno de los problemas más difíciles de la física, la naturaleza de la luz. Pero su descubrimiento necesitó 23 años para ser aceptado. ¿Por qué? Uno de los problemas de la teoría de Maxwell es que no ofrecía ningún modelo mecánico del “éter luminífero,” el medio en el que “supuestamente” se propagaban las ondas de luz, que eran transversales, sin vibración longitudinal. ¿Qué medio mecánico podía sostener este tipo de vibraciones?  ¿Qué es lo que “realmente” modelaban las 20 ecuaciones diferenciales de Maxwell? Recuerda que la notación actual (4 ecuaciones vectoriales) es muy posterior a Maxwell, quien escribió sus ecuaciones componente a componente y en su versión “breve” basada en los cuaterniones de Hamilton.

Un físico actual encontraría dificultades a la hora de reconocer las 20 ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo. Para Maxwell, la magnitud fundamental era el “momento electromagnético” (cuya derivada en tiempo genera una fuerza) ya que trataba de formalizar el concepto de “estado electrotónico” de Faraday, por lo que introdujo el potencial vector magnético, al que bautizó con la letra A, como magnitud fundamental, siendo el campo magnético, letra B, una magnitud “secundaria”.

Maxwell murió en 1879 siendo famoso por sus contribuciones en termodinámica estadística (teoría molecular en la época) pero con muy poco reconocimiento por su teoría electromagnético. De hecho, él mismo no supo “vender” la gran importancia de dicha teoría (cuyas ecuaciones matemáticas eran extremadamente difíciles para la época). Tampoco dejó una escuela, alumnos o colegas, que continuaran su trabajo en esta materia. ¿Quién continuó el desarrollo del electromagnetismo? 2 días después de la muerte de Maxwell, la Royal Society envió a George Francis FitzGerald (del Trinity College de Dublín) la revisión por el propio Maxwell de un artículo suyo sobre el electromagnetismo.

Maxwell publicó una monografía científica sobre el electromagnetismo en 1873. En dicha monografía no trataba sobre la reflección o refracción de la luz. FitzGerald se estudió dicho libro con mucho detalle, encontrando analogías con un modelo para el éter desarrollado por MacCullagh (también del Trinity College de Dublín). Gracias a esta analogía, FitzGerald fue capaz de añadir a la teoría de Maxwell la teoría de la reflección y de la refracción de la luz. El problema del éter de MacCullagh (descubierto por Stokes) era que no conservaba el momento angular, con lo que los resultados de FitzGerald no fueron valorados en su justa medida.

En 1879, Oliver Lodge (del University College en Liverpool) amigo de FitzGerald y “amante” de la teoría de Maxwell, desarrolló un modelo mecánico de cómo se podría generar una onda electromagnética de luz: aplicando un voltaje a través de un conmutador que oscilara muy rápidamente. FitzGerald, tras un gran esfuerzo, encontró una solución de las ecuaciones de Maxwell para una corriente eléctrica que variara en el tiempo, pero su solución no presentaba radiación. De donde concluyó que era “imposible” generar ondas electromagnéticas de forma eléctrica. Lo que no vió FitzGerald es que se había equivocado en el tratamiento de la condición de contorno para el potencial vector. Este resultado hizo que la búsqueda experimental de la generación de ondas electromagnéticas mediante campos eléctricos se retrasara unos años.

El gran genio que revolucionó el electromagnetismo fue Oliver Heaviside. Un genio matemático en toda regla, que nunca fue a la universidad, y aprendió ciencia y matemáticas de forma autodidacta (leyendo libros de la biblioteca). Heaviside reescribió las ecuaciones de Maxwell en su forma moderna. Heaviside se “enamoró” del tratado de Maxwell cuando cayó en sus manos “calentito” de la imprenta, en 1873. En ella época Heaviside trabajaba como telegrafista. Uno de sus primeras grandes contribuciones fue derivar la ecuación del telegrafista (la que modela la propagación de señales eléctricas en cables) a partir de la teoría de Maxwell.

En el verano de 1884, Heaviside empezó a estudiar el flujo de energía en el campo electromagnético de Maxwell. Su demostración era muy complicada, pero el resultado extremadamente simple S=ExH (aunque este resultado fue publicado por Poynting, en Birmingham, unos meses antes). En manos de Heaviside este resultado era muy importante ya que indicaba que la energía electromagnética se propagaba a velocidad finita evitando la “acción a distancia” que muchos repudiaban en la teoría de Maxwell. Trabajando con el concepto de energía en el campo, Heaviside encontró una nueva manera de expresar las ecuaciones de Maxwell, en solo 4 ecuaciones diferenciales para la divergencia y el rotacional de cuatro campos E, H, D y B. Los potenciales escalar (eléctrico) y vectorial (magnético) fueron relegados a un segundo plano por Heaviside. ¿Por qué no se llaman ecuaciones de Heaviside? El propio autor nos da la respuesta, ya que en su publicación de las mismas afirma que estas “nuevas” ecuaciones deben llamarse “ecuaciones de Maxwell.”

En 1888 entran en esta historia los físicos alemanes. Hermann von Helmholtz le había pedido a Heinrich Hertz (uno de sus estudiantes en Berlín) que estudiara experimentalmente la validez de las teorías del electromagnetismo de Maxwell, Weber y Neumann (teorías diferentes “competidoras” en aquella época). Hertz publicó en 1888 en Annalen der Physik un artículo en el que estudiaba la descarga de un condensador a través de un bucle observando una condición de resonancia que le llevó a pensar que se generaban ondas electromagnéticas. Estudió la reflección, refracción, difracción, y polarización de la luz tanto en ondas no guiadas como en las guiadas en un cable. La presentación de Hertz en septiembre de 1888 ante la British Association (en Bath) lo elevó a “héroe”. Sus resultados confirmaban completamente la teoría del electromagnetismo de Maxwell. Maxwell, tras 23 años, era elevado al “cielo de los genios.”  

Hertz descubrió, independientemente de Heaviside, la teoría de 4 ecuaciones vectoriales de Maxwell, pero siempre afirmó que la prioridad era de Heaviside y siguiéndole decidió llamar a “sus ecuaciones” con el nombre de ecuaciones de Maxwell. De hecho, en Alemania fueron llamadas durante muchos años ecuaciones de Hertz-Maxwell. Hertz recibió la prestigiosa Medalla Rumford de la Royal Society en 1890 por su trabajo (cuando ya era catedrático de física en Bonn).

En 1887, Michelson y Morley realizaron su famoso experimento interferométrico con el que se empezó a dudar de la existencia del éter. Pero la historia de la llegada de las ideas de Lorentz, Einstein y otros, quien observaron que las ecuaciones de Maxwell eran “invariantes relativistas” y requerían una nueva mecánica con la misma invarianza, “mecánica relativista,” es otra historia.