Los 100 años de Fermi y Heisenberg

Se celebra este año el centenario del nacimiento de dos de los más grandes físicos de la historia, el alemán Werner Heisenberg y el italiano (posteriormente estadounidense) Enrico Fermi. Físicos que, en unión de Einstein, forman la trilogía de los más influyentes no sólo en la ciencia, sino en todo el tejido social del siglo XX.

Heisenberg fue el principal creador de la mecánica cuántica, la mayor revolución intelectual de la física desde Galileo y Newton; y Fermi contribuyó de forma decisiva a su desarrollo. Pero, además de esto, los azares de la historia hacen que ambos participaran, simultáneamente, en uno de los desarrollos que han marcado la segunda mitad del siglo XX: el de la energía 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 referiré exclusivamente a esta faceta de ambos.

En el proceso de resolución del rompecabezas nuclear dos piezas clave fueron el italiano Fermi (que produjo las primeras fisiones nucleares) y los radioquímicos alemanes Otto Hahn, Fritz Strassman y Lisa Meitner y Otto Frisch (los últimos, de hecho austríacos, fueron los que explicaron el fenómeno). Resulta irónico que, todos ellos ciudadanos de países del eje, fueran obligados a exiliarse por el fanatismo antijudío de Hitler. Meitner y Fritsch, judíos, realizaron su descubrimiento en Suecia, y Fermi, cuya esposa era de origen judío, también se exilió, en 1938, al quedar claro que la alianza de Hitler con Mussolini les ponía en peligro.

Fermi fue quien primero se dio cuenta de la importancia de utilizar neutrones de poca energía (conocidos como neutrones térmicos) para penetrar en el interior de los núcleos, a partir de 1934, y quien realizase la irradiación sistemática de los elementos de la tabla periódica. No es casualidad que fuese Fermi quien realizó este descubrimiento y quien primero comprendió su significado: si no se le ocurría una teoría para progresar en el conocimiento de la naturaleza física, hacía los experimentos que le permitieran avanzar en este conocimiento; y si en el experimento le faltaba un aparato, lo fabricaba él mismo. Además, después de realizar el experimento, Fermi pasaba a un estudio teórico de los resultados encontrados, con lo que su capacidad para comprender rápidamente nuevos fenómenos era extraordinaria. En los años treinta se concentró en el estudio experimental del núcleo atómico: el grupo de Roma se dedicó a irradiar con neutrones todos los elementos conocidos. Las medidas obtenidas con esto, y los cálculos teóricos resultantes fueron esenciales en el desarrollo posterior de los reactores.

Los puntos clave que llevan a la utilización de la fisión nuclear son, primero, que al golpear núcleos de uranio con neutrones éstos se rompen y se genera una enorme cantidad de energía; y segundo, que se liberan mas neutrones de los que iniciaron la reacción. Los problemas son que sólo un isótopo (variedad) del uranio, el U-235, produce suficientes neutrones para obtener una reacción autosostenida; pero este isótopo se encuentra en ínfimas cantidades en la naturaleza. El segundo y el tercer problema para construir un reactor nuclear son: cómo frenar los neutrones (dado que únicamente los lentos reaccionarán antes de abandonar el material) y cómo controlar el proceso. Debido a que sólo un isótopo de uranio produce suficientes neutrones, era necesario enriquecer la mezcla de uranio, aumentando la proporción de isótopo U-235 (para una bomba necesitamos U-235 casi puro, o plutonio, obtenido éste en un reactor) y avanzar en la investigación con una mezcla de empirismo experimental y cálculos teóricos. Éstos últimos eran extraordinariamente complejos.

Reacción sostenida

En diciembre de 1972 Fermi consiguió, en los sótanos de la Universidad de Chicago, una reacción nuclear sostenida en una pila de capas de uranio y grafito (que frenaba a los neutrones), controladas por barras de cadmio que absorbían neutrones y, por lo tanto permitían el manejo de la reacción, en un delicado equilibrio. Hay pocas dudas de que la pericia de Fermi ahorró a los americanos años de difícil experimentación, y más de un fracaso. Como ejemplo, la primera explosión de una bomba atómica en Nevada, el 16 de julio de 1945, demostró que los cálculos teóricos 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 habrían, tal vez, hecho imposible construir un ingenio explosivo.

Frente a la capacidad tanto teórica como experimental de Fermi, y el soberbio plantel de científicos reunidos en el proyecto norteamericano, al grupo alemán era muy inferior. Heisenberg, teórico de principio a fin, tuvo serios problemas incluso a la hora de obtener el título de doctor. Esto incluía, en Alemania, un examen de física del candidato: examen en el que Heisenberg mostró un desconocimiento total de todo lo que no fuese la más pura teoría. Wilhelm Wien, que estaba en el tribunal, era partidario de suspenderle, pero, aparentemente, Arnold Sommerfeld le convenció del error que sería no pasar a una persona tan brillante. Finalmente Heisenberg recibió su doctorado, pero con la calificación más baja posible.

Es probable que este desinterés de Heisenberg por la experimentación fuera una más de las causas del fracaso del programa alemán de fisión nuclear, encomendado al grupo dirigido por él, el cual, intentando bajo su recomendación utilizar agua pesada, muy escasa y difícil de producir (en lugar de grafito, como el grupo de Fermi), y con un importante desconocimiento de secciones eficaces y ritmos de producción de neutrones, no pasó de construir prototipos de laboratorio, ninguno de los cuales funcionó. No es extraña la reacción de Walther Gerlach cuando se enteró de que los norteamericanos habían hecho estallar las bombas atómicas sobre Hiroshima y Nagasaki. Dirigiéndose al grupo (que incluía a Heisenberg) de científicos atómicos alemanes recluidos con él en la granja de Farm Hill, donde los aliados les llevaron al final de la guerra en Alemania, les espetó: '¡Si esto es cierto, ustedes son unos incompetentes!'

Efectivamente, lo eran; excepto el propio Gerlach, y Heisenberg, uno de los teóricos más brillantes del siglo, pero con serias carencias como experimentador.

Queda la pregunta de si los germanos podrían haber construido una bomba atómica si no hubiesen espantado a sus mejores científicos. La respuesta es: muy probablemente no. Y ello debido a la cuestión económica. Después del fin de la guerra, dos misiones norteamericanas se desplazaron a Alemania y a Japón con el fin de, entre otras cosas, estudiar la situación económica de estos países antes, durante y después de la guerra. El conocido economista John K. Galbraith fue parte de ambas, y cuenta algunos resultados en su autobiografía. La economía alemana, según estos estudios, superaba a la británica 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 investigación nuclear: Gran Bretaña la abandonó completamente en 1943, al darse cuenta de lo costoso del programa y lo aleatorio de sus resultados. Los proyectos alemanes nunca tuvieron una financiación suficiente, ni de lejos. Únicamente los Estados Unidos, con un producto bruto que casi duplicaba al alemán (y que era diez veces superior al japonés) pudo permitirse el lujo de mantener una guerra con las dos, Alemania y Japón, y, además, en plena guerra, en 1944, gastar el billón de dólares que el proyecto Manhattan (nombre en clave del programa nuclear americano) consumía al año en una empresa cuya factibilidad no estaba garantizada.

La Unión Soviética consiguió resolver el problema de la utilización bélica de la energía nuclear en 1948: indudablemente, el saber que esta utilización era posible, y conocer los métodos empleados por los norteamericanos ayudó enormemente al programa nuclear soviético. Francia (uno de cuyos científicos, Frédéric Joliot, fue quien primero midió flujos de neutrones y consideró la posibilidad de producir reacciones en cadena) y Gran Bretaña hubieran podido fabricar ingenios autóctonos en las mismas fechas, si hubieran dedicado a tal fin el mismo esfuerzo que los rusos; al no hacerlo, retrasaron su incorporación al club. Sin embargo, tanto Francia como Gran Bretaña construyeron reactores nucleares experimentales ya en 1948 y Canadá, aunque con ayuda de científicos franceses y británicos, se les adelantó con un reactor, que utilizaba agua pesada como moderador, en 1945.

El ejemplo de Canadá pone claramente de manifiesto la falta de altura de los científicos que se alinearon con el III Reich. Es cierto que Alemania, como se ha dicho, no hubiese podido fabricar una bomba atómica, para lo que le faltaban los recursos económicos que requería la producción de plutonio en reactores o la separación masiva del U-235; pero si el grupo germano hubiese sido de mayor altura científica, en especial en la vertiente experimental y fenomenológica, podrían, muy probablemente, haber conseguido que funcionase un reactor de agua pesada antes que los canadienses. Pero los Bethe, Meitner, Frisch y tantos otros se habían marchado.