Los 100 a?os de Fermi y Heisenberg

Se celebra este a?o el centenario del nacimiento de dos de los m¨¢s grandes f¨ªsicos de la historia, el alem¨¢n Werner Heisenberg y el italiano (posteriormente estadounidense) Enrico Fermi. F¨ªsicos que, en uni¨®n de Einstein, forman la trilog¨ªa de los m¨¢s influyentes no s¨®lo en la ciencia, sino en todo el tejido social del siglo XX.

Heisenberg fue el principal creador de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, la mayor revoluci¨®n intelectual de la f¨ªsica desde Galileo y Newton; y Fermi contribuy¨® de forma decisiva a su desarrollo. Pero, adem¨¢s de esto, los azares de la historia hacen que ambos participaran, simult¨¢neamente, en uno de los desarrollos que han marcado la segunda mitad del siglo XX: el de la energ¨ªa nuclear. Fermi, en primer lugar en Roma y, a partir de 1938, en el exitoso programa nuclear americano; y Heisenberg en el fallido de la Alemania nazi. Me referir¨¦ exclusivamente a esta faceta de ambos.

En el proceso de resoluci¨®n del rompecabezas nuclear dos piezas clave fueron el italiano Fermi (que produjo las primeras fisiones nucleares) y los radioqu¨ªmicos alemanes Otto Hahn, Fritz Strassman y Lisa Meitner y Otto Frisch (los ¨²ltimos, de hecho austr¨ªacos, fueron los que explicaron el fen¨®meno). Resulta ir¨®nico que, todos ellos ciudadanos de pa¨ªses del eje, fueran obligados a exiliarse por el fanatismo antijud¨ªo de Hitler. Meitner y Fritsch, jud¨ªos, realizaron su descubrimiento en Suecia, y Fermi, cuya esposa era de origen jud¨ªo, tambi¨¦n se exili¨®, en 1938, al quedar claro que la alianza de Hitler con Mussolini les pon¨ªa en peligro.

Fermi fue quien primero se dio cuenta de la importancia de utilizar neutrones de poca energ¨ªa (conocidos como neutrones t¨¦rmicos) para penetrar en el interior de los n¨²cleos, a partir de 1934, y quien realizase la irradiaci¨®n sistem¨¢tica de los elementos de la tabla peri¨®dica. No es casualidad que fuese Fermi quien realiz¨® este descubrimiento y quien primero comprendi¨® su significado: si no se le ocurr¨ªa una teor¨ªa para progresar en el conocimiento de la naturaleza f¨ªsica, hac¨ªa los experimentos que le permitieran avanzar en este conocimiento; y si en el experimento le faltaba un aparato, lo fabricaba ¨¦l mismo. Adem¨¢s, despu¨¦s de realizar el experimento, Fermi pasaba a un estudio te¨®rico de los resultados encontrados, con lo que su capacidad para comprender r¨¢pidamente nuevos fen¨®menos era extraordinaria. En los a?os treinta se concentr¨® en el estudio experimental del n¨²cleo at¨®mico: el grupo de Roma se dedic¨® a irradiar con neutrones todos los elementos conocidos. Las medidas obtenidas con esto, y los c¨¢lculos te¨®ricos resultantes fueron esenciales en el desarrollo posterior de los reactores.

Los puntos clave que llevan a la utilizaci¨®n de la fisi¨®n nuclear son, primero, que al golpear n¨²cleos de uranio con neutrones ¨¦stos se rompen y se genera una enorme cantidad de energ¨ªa; y segundo, que se liberan mas neutrones de los que iniciaron la reacci¨®n. Los problemas son que s¨®lo un is¨®topo (variedad) del uranio, el U-235, produce suficientes neutrones para obtener una reacci¨®n autosostenida; pero este is¨®topo se encuentra en ¨ªnfimas cantidades en la naturaleza. El segundo y el tercer problema para construir un reactor nuclear son: c¨®mo frenar los neutrones (dado que ¨²nicamente los lentos reaccionar¨¢n antes de abandonar el material) y c¨®mo controlar el proceso. Debido a que s¨®lo un is¨®topo de uranio produce suficientes neutrones, era necesario enriquecer la mezcla de uranio, aumentando la proporci¨®n de is¨®topo U-235 (para una bomba necesitamos U-235 casi puro, o plutonio, obtenido ¨¦ste en un reactor) y avanzar en la investigaci¨®n con una mezcla de empirismo experimental y c¨¢lculos te¨®ricos. ?stos ¨²ltimos eran extraordinariamente complejos.

Reacci¨®n sostenida

En diciembre de 1972 Fermi consigui¨®, en los s¨®tanos de la Universidad de Chicago, una reacci¨®n nuclear sostenida en una pila de capas de uranio y grafito (que frenaba a los neutrones), controladas por barras de cadmio que absorb¨ªan neutrones y, por lo tanto permit¨ªan el manejo de la reacci¨®n, en un delicado equilibrio. Hay pocas dudas de que la pericia de Fermi ahorr¨® a los americanos a?os de dif¨ªcil experimentaci¨®n, y m¨¢s de un fracaso. Como ejemplo, la primera explosi¨®n de una bomba at¨®mica en Nevada, el 16 de julio de 1945, demostr¨® que los c¨¢lculos te¨®ricos de su potencia estaban equivocados casi en un factor 10. Sin la experiencia conseguida con el manejo del reactor los errores hubieran sido mucho mayores y habr¨ªan, tal vez, hecho imposible construir un ingenio explosivo.

Frente a la capacidad tanto te¨®rica como experimental de Fermi, y el soberbio plantel de cient¨ªficos reunidos en el proyecto norteamericano, al grupo alem¨¢n era muy inferior. Heisenberg, te¨®rico de principio a fin, tuvo serios problemas incluso a la hora de obtener el t¨ªtulo de doctor. Esto inclu¨ªa, en Alemania, un examen de f¨ªsica del candidato: examen en el que Heisenberg mostr¨® un desconocimiento total de todo lo que no fuese la m¨¢s pura teor¨ªa. Wilhelm Wien, que estaba en el tribunal, era partidario de suspenderle, pero, aparentemente, Arnold Sommerfeld le convenci¨® del error que ser¨ªa no pasar a una persona tan brillante. Finalmente Heisenberg recibi¨® su doctorado, pero con la calificaci¨®n m¨¢s baja posible.

Es probable que este desinter¨¦s de Heisenberg por la experimentaci¨®n fuera una m¨¢s de las causas del fracaso del programa alem¨¢n de fisi¨®n nuclear, encomendado al grupo dirigido por ¨¦l, el cual, intentando bajo su recomendaci¨®n utilizar agua pesada, muy escasa y dif¨ªcil de producir (en lugar de grafito, como el grupo de Fermi), y con un importante desconocimiento de secciones eficaces y ritmos de producci¨®n de neutrones, no pas¨® de construir prototipos de laboratorio, ninguno de los cuales funcion¨®. No es extra?a la reacci¨®n de Walther Gerlach cuando se enter¨® de que los norteamericanos hab¨ªan hecho estallar las bombas at¨®micas sobre Hiroshima y Nagasaki. Dirigi¨¦ndose al grupo (que inclu¨ªa a Heisenberg) de cient¨ªficos at¨®micos alemanes recluidos con ¨¦l en la granja de Farm Hill, donde los aliados les llevaron al final de la guerra en Alemania, les espet¨®: '?Si esto es cierto, ustedes son unos incompetentes!'

Efectivamente, lo eran; excepto el propio Gerlach, y Heisenberg, uno de los te¨®ricos m¨¢s brillantes del siglo, pero con serias carencias como experimentador.

Queda la pregunta de si los germanos podr¨ªan haber construido una bomba at¨®mica si no hubiesen espantado a sus mejores cient¨ªficos. La respuesta es: muy probablemente no. Y ello debido a la cuesti¨®n econ¨®mica. Despu¨¦s del fin de la guerra, dos misiones norteamericanas se desplazaron a Alemania y a Jap¨®n con el fin de, entre otras cosas, estudiar la situaci¨®n econ¨®mica de estos pa¨ªses antes, durante y despu¨¦s de la guerra. El conocido economista John K. Galbraith fue parte de ambas, y cuenta algunos resultados en su autobiograf¨ªa. La econom¨ªa alemana, seg¨²n estos estudios, superaba a la brit¨¢nica en un 30%, aunque estaba muy mal gestionada. El esfuerzo de guerra era tal que no quedaban recursos, en ninguno de estos dos paises, para dedicarlos a una incierta investigaci¨®n nuclear: Gran Breta?a la abandon¨® completamente en 1943, al darse cuenta de lo costoso del programa y lo aleatorio de sus resultados. Los proyectos alemanes nunca tuvieron una financiaci¨®n suficiente, ni de lejos. ?nicamente los Estados Unidos, con un producto bruto que casi duplicaba al alem¨¢n (y que era diez veces superior al japon¨¦s) pudo permitirse el lujo de mantener una guerra con las dos, Alemania y Jap¨®n, y, adem¨¢s, en plena guerra, en 1944, gastar el bill¨®n de d¨®lares que el proyecto Manhattan (nombre en clave del programa nuclear americano) consum¨ªa al a?o en una empresa cuya factibilidad no estaba garantizada.

La Uni¨®n Sovi¨¦tica consigui¨® resolver el problema de la utilizaci¨®n b¨¦lica de la energ¨ªa nuclear en 1948: indudablemente, el saber que esta utilizaci¨®n era posible, y conocer los m¨¦todos empleados por los norteamericanos ayud¨® enormemente al programa nuclear sovi¨¦tico. Francia (uno de cuyos cient¨ªficos, Fr¨¦d¨¦ric Joliot, fue quien primero midi¨® flujos de neutrones y consider¨® la posibilidad de producir reacciones en cadena) y Gran Breta?a hubieran podido fabricar ingenios aut¨®ctonos en las mismas fechas, si hubieran dedicado a tal fin el mismo esfuerzo que los rusos; al no hacerlo, retrasaron su incorporaci¨®n al club. Sin embargo, tanto Francia como Gran Breta?a construyeron reactores nucleares experimentales ya en 1948 y Canad¨¢, aunque con ayuda de cient¨ªficos franceses y brit¨¢nicos, se les adelant¨® con un reactor, que utilizaba agua pesada como moderador, en 1945.

El ejemplo de Canad¨¢ pone claramente de manifiesto la falta de altura de los cient¨ªficos que se alinearon con el III Reich. Es cierto que Alemania, como se ha dicho, no hubiese podido fabricar una bomba at¨®mica, para lo que le faltaban los recursos econ¨®micos que requer¨ªa la producci¨®n de plutonio en reactores o la separaci¨®n masiva del U-235; pero si el grupo germano hubiese sido de mayor altura cient¨ªfica, en especial en la vertiente experimental y fenomenol¨®gica, podr¨ªan, muy probablemente, haber conseguido que funcionase un reactor de agua pesada antes que los canadienses. Pero los Bethe, Meitner, Frisch y tantos otros se hab¨ªan marchado.