Recordando a Enrico Fermi

La radiactividad molestaba a muchos físicos (Rutherford fue uno de ellos), ¿cómo era posible que los núcleos y las partículas se desintegren caprichosamente en otras partículas? El físico que clarificó tal problema por primera vez con una teoría explícita, fue Enrico Fermi.

Existen miles de historias que circulan por ahí sobre la brillantez de Fermi. Unos momentos antes de que se realizara la primera prueba de la bomba nuclear en Alamogordo, Nuevo México, Fermi se encontraba a unos quince kilómetros del lugar del experimento. Cuando estalló la bomba se puso en pie y fue tirando unos trocitos de papel al suelo. Los pedacitos caían a sus pies donde quedaban quietos, pero unos segundos después llegó la onda de choque y los golpeó arrastrándolos unos pocos centímetros. Fermi calculó la energía de la explosión a partir del desplazamiento de los pedazos de papel, y su resultado obtenido sobre la marcha coincidió bastante con la medición oficial, cuyo cálculo llevó varios días. (Un amigo suyo, el físico italiano Emilio Segré, señalaba, sin embargo, que Fermi era humano. Le costaba entender la cuenta de gastos de su Universidad de Chicago.)

Como a muchos físicos, a Fermi le encantaba realizar juegos matemáticos. Se cuenta que una vez estaba comiendo con un grupo de físicos; se fijó en la suciedad de las ventanas, y los retó a que descubriesen que espesor debería tener la suciedad antes de que se desprendiese del cristal por su propio peso. Fermi les ayudó a todos a sacar adelante el ejercicio, para el que había que partir de algunas constantes fundamentales de la naturaleza, aplicar la interacción electromagnética y calcular las atracciones dieléctricas que mantienen unos aislantes unidos a los otros.

Un día , en los Álamos, durante el proyecto Manhattan…Bueno, se podrían contar mil historias pero, también hay que reconocer que su valía ha sido reconocida largamente. Su nombre ha sido puesto en muchas cosas.

En Roma tiene su calle

El Fermilab, el Instituto Enrico Fermi, los fermiones (todos los quarks y leptones), la estadística de Fermi, el fermi, esa unidad de tamaño igual a 10^-13 centímetros, la constante de Fermi (símbolo G_w) que es una constante de acoplamiento asociada a las interacciones débiles y que da lugar a la desintegración beta, Nivel de Fermi, que nos dice la energía en un sólido en el que el número medio de partículas por estado cuántico es ½, es decir, la mitad de los estados cuánticos están ocupados, el Fermio, un elemento transuránico radiactivo y metálico perteneciente a los actínidos, también llevan su nombre algunos ingenios espaciales, etc.

Claro que, como todos los grandes hombres, a Fermi también le acompañaban otros valores como:  “Rasgo más el destacable de Fermi era su gran modestia, y su capacidad para hacer cualquier tipo de trabajo, ya sea creativo o de rutina. Fue esta cualidad la que le hizo popular y querido entre la gente de todos los estratos, de otros premios Nobel a los técnicos. Henry DeWolf Smyth, quien fue presidente del departamento de Física de Princeton, había invitado una vez más de Fermi para hacer algunos experimentos con el Princeton ciclotrón. Al entrar en el laboratorio de un día, Smyth vio el distinguido científico ayudar a un estudiante graduado de mover una mesa, bajo la dirección de otro estudiante. Otra vez, un Du Pont ejecutivo hizo una visita a verlo en Columbia.Al no encontrarlo, ya sea en su laboratorio o su oficina, el ejecutivo se sorprendió al encontrar el Premio Nobel de la sala de máquinas, corte de láminas de estaño con un gran par de tijeras.”

No podemos olvidar que Fermi fue el que hizo la contribución más básica al conocimiento del universo. Fermi describió una nueva fuerza de la Naturaleza, la interacción débil. Aquí tenemos que recordar que en el año 1896, por casualidad, Becquerel descubrió la radiactividad, cuando guardó un poco de uranio en un cajón donde tenía unm papel fotográfico; éste se ennegreció, y al final encontró la causa en unos rayos invisibles que salían del uranio. Tras el descubrimiento de la radiactividad y la elucidación por Rutherford de las radiaciones Alfa, Beta y Gamma, muchos físicos de todo el mundo se concentraron en las partículas Beta, de las que pronto se supo que eran electrones.

¿De dónde salían esos electrones? Los físicos descubrieron muy deprisa que el núcleo emitía el electrón cuando experimentaba un cambio espontáneo de estado.

Diagrama de Segrè. El color indica el periodo de semidesintegración de los isótopos radiactivos conocidos. La radiactividad (o radioactividad) puede considerarse un fenómeno físico natural por el cual algunos cuerpos o elementos químicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Debido a esa capacidad, se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenómeno que ocurre en los núcleos de ciertos elementos, que son capaces de transformarse en núcleos de átomos de otros elementos.

Allá por los años treinta los investigadores determinaron que los núcleos estaban formados por protones y neutrones, y asociaron la radiactividad del núcleo a la inestabilidad de sus constituyentes, los protones y los neutrones. Claro está, no todos los núcleos son radiactivos. La conservación de la energía y la interacción débil desempeñan papeles importantes en la desintegración de un protón o un neutrón dentro del núcleo y en la facilidad con que lo hagan.

A finales de los años veinte se hicieron unas cuidadosas mediciones de los núcleos radiactivos, antes y después. Se mide la masa del núcleo inicial, la del núcleo final y la energía y la masa del electrón emitido (recordemos E = mc²). Se hizo un importante descubrimienro: la suma no salía. Se perdía energía. Había más en la entrada que en la salida. Wolfgang Pauli hizo su (entonces) atrevida sugerencia de que un pequeño objeto neutro se llevaba la energía.

Fermi (abajo izquierda), Szilárd (segundo desde la derecha en la parte inferior), y el resto del equipo de pila.

En 1933 Enrico Fermi juntó todas las partes. Los electrones salían del núcleo, pero no directamente. Lo que pasa es que el neutrón del núcleo se desintegra en un protón, un electrón y el pequeño objeto neutro que Pauli había sugerido. Fermi lo llamó neutrino, que quería decir “pequeño neutro”. De esta reacción en el núcleo es responsable, decía Fermi, una fuerza, y la llamó interacción débil. Y lo es muchísimo si se la compara con la interacción nuclear fuerte y el electromagnetismo. Por ejemplo, a baja energía la intensidad de la interacción débil es alrededor de una milésima de la intensidad del electromagnetismo.

La desintegración que descubrió Fermi -el neutrón se convierte en un protón, un electrón y un neutrino (en realidad un antineutrino)- les sucede rutinariamente a los neutrones libres. Cuando el neutrón está aprisionado en el núcleo, sin embargo, sólo puede ocurrir en circunstancias especiales. Por el contrario, el protón, en cuanto a partícula libre, no puede desintegrarse (al menos que se sepa). Dentro del nutrido núcleo, en cambio, el protón ligado puede dar lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino. “En 1938, Fermi ganó el Premio Nobel de Física por sus demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado con las reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos.”

Una imagen de la de Fermi-Szilárd “reactor neutrónico” de patentes.

La teoría de la interacción débil se generalizó gradualmente y, enfrentándose sin cesar a nuevos datos, se convirtió en una teoría cuántica de campos de la interacción débil. Después de todo aquello, surgió una nueva generación de teóricos que vinieron a moldear la teoría de Fermi: Feynman, Gell-Mann, Lee, Yang, Schwinger, Robert Mashak y muchos otros.

Fermi fue ampliamente considerado como el único físico del siglo XX que se destacó tanto teórica como experimentalmente. Fue uno de los grandes físicos de la Historia y, ahí queda su obra para demostrarlo.

No siempre podemos hablar de Einstein, Plank o Dirac, otros físicos también se merecen que les recordemos, ya que, sus contribuciones fueron tan importantes como las de aquellos otros.

emilio silvera

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