Premios Nobel – Física 1913 (Heike Kammerlingh Onnes) II

Hoy continuamos con la segunda parte de la historia del Nobel de Física de 1913, otorgado al holandés Heike Kammerlingh Onnes por su trabajo en la licuefacción del helio y, además, por el descubrimiento fundamental que realizó utilizando ese helio líquido a gélida temperatura. Nos habíamos quedado en 1908, cuando Onnes por fin podía empezar a trabajar en su laboratorio de Leiden para condensar hidrógeno y helio pero, al mismo tiempo, cuando James Dewar acababa de conseguir licuar hidrógeno.

Cuando Heike Kammerlingh Onnes empezó a trabajar en su laboratorio, por lo tanto, ya había perdido la carrera del hidrógeno, pero al menos le quedaba por correr en la del helio… si conseguía algo de helio para empezar, claro. En primer lugar, dada su reputación, Onnes pidió ayuda a James Dewar, pero éste se negó a proporcionarle helio (supongo que porque él mismo apenas tenía suficiente, claro). De manera que el holandés escribió, cómo no, a Sir William Ramsay, que le proporcionó una cantidad pequeña pero razonable de helio; además, el helio de Ramsay era muy puro y no contenía neón, otra ventaja para Kammerlingh.

El mentor: Johannes Diderik Van der Waals (a la derecha), junto a Heike Kammerlingh Onnes (a la izquierda).

Onnes tenía dos ventajas más: un profundo conocimiento de las teorías de su compatriota y amigo Van der Waals, y un laboratorio y un equipo de técnicos extraordinario. El holandés pasó los primeros años simplemente perfeccionando la licuefacción del hidrógeno, a pesar de que Dewar lo había logrado antes que él. ¿La razón? Que era muy necesario para el siguiente paso.

Si has comprendido el sistema de Dewar para obtener hidrógeno, verás de lo que hablo: con una producción considerable de oxígeno líquido es posible enfriar hidrógeno, comprimirlo, enfriarlo de nuevo y luego expandirlo de modo que el efecto Joule-Thomson lo enfríe aún más. No es posible realizar el proceso sin evaporar oxígeno, con lo que no es posible alcanzar los 20 K sin tener una producción constante de oxígeno líquido a 90 K.

¡Pero lo mismo hacía falta para escalar el siguiente paso! Disponer de un baño de hidrógeno líquido a 20 K era la solución para luego comprimir/enfriar/expandir el helio. Pero, igual que antes, al usar hidrógeno para enfriar helio, el hidrógeno se evaporaba, con lo que hacía falta más hidrógeno líquido. De modo que esto era como un dominó: hacía falta oxígeno para el hidrógeno, y luego hidrógeno para el helio… De modo que Onnes no sólo necesitaba condensar hidrógeno; necesitaba ser capaz de condensar una cantidad grande y constante de hidrógeno para intentar obtener helio líquido.

Tan importante era la producción de hidrógeno líquido que desde que Kammerlingh Onnes abrió el laboratorio en 1898 –al mismo tiempo que Dewar condensaba hidrógeno por primera vez– hasta 1906 ése fue su único objetivo. Tras seis años, el laboratorio de Leiden había perfeccionado el proceso lo suficiente para lograr algo revolucionario: producir cuatro litros por hora de hidrógeno líquido a unos 20 K. Con esto y cierta cantidad de helio, Onnes atacó la condensación del helio de manera metódica y perfeccionista.

Los primeros intentos fueron infructuosos: la primera vez el holandés creyó haber logrado su propósito cuando expandió helio –ya enfriado– de 100 atmósferas a 1 atmósfera, y se formaron gotitas dentro del recipiente de vidrio, pero resultó que no era más que hidrógeno que se había colado mezclado con el helio… una decepción. ¡Qué ironía! Lo que diez años antes hubiera sido un logro de fama mundial ahora no era más que un contratiempo: “Hidrógeno líquido, ¡bah!”

Onnes necesitaba realizar múltiples expansiones de Joule-Thomson, pero el problema era que el proceso repetido suponía la pérdida de parte del helio en cada paso, con lo que las cantidades proporcionadas por Ramsay no eran suficientes. ¡Le hacían falta cientos de litros de helio! Pero, una vez más, el holandés salió del paso utilizando recursos nada relacionados con la ciencia.

Su hermano, Onno –sí, Onno Kamerlingh Onnes– tenía una oficina de importaciones en Amsterdam, y Heike le pidió ayuda. Onno consiguió traer desde California un cargamento de una roca llamada monacita, que contiene varias tierras raras radioactivas. Puesto que algunos isótopos inestables presentes en la monacita, como el torio, se desintegran produciendo –entre otras cosas– núcleos de helio, estos átomos quedan atrapados en la estructura cristalina de la monacita. Por lo tanto, calcinando una gran cantidad de estas rocas era posible, tras un largo y tedioso proceso, obtener helio puro en cantidades considerables.

A partir de la monacita, el laboratorio de Leiden consiguió extraer casi cuatrocientos litros de helio de gran pureza. Con ellos, el equipo de Onnes se puso de nuevo manos a la obra. El 9 de julio de 1908 condensaron unos 75 litros de nitrógeno y oxígeno del aire, y con ellos, la madrugada entre el 9 y el 10, empezaron a producir hidrógeno líquido. A mediodía disponían de 20 preciosos litros de hidrógeno líquido a 20 K.

Heike Kammerlingh Onnes, en el laboratorio de Leiden.

A continuación hicieron lo propio con el hidrógeno para condensar el helio. El gas circuló una y otra vez por el circuito, realizando expansiones, enfriamientos y compresiones repetidas para aprovechar el efecto Joule-Thomson, y su temperatura fue descendiendo poco a poco –imagino que desesperantemente poco a poco para los que miraban, expectantes, mientras disminuía la reserva de hidrógeno líquido–. A las 18:30 la temperatura bajó hasta 6 K, la temperatura más baja jamás alcanzada en la Tierra… y seguía bajando. El termómetro bajó a 5,5 K, luego a 5 K, a 4,5 K, a 4,2 K… y se detuvo. La temperatura se mantuvo constante a 4,2 K tras varias circulaciones del helio.

Si has leído la serie de termodinámica, y especialmente el artículo sobre los cambios de fase, te habrá dado el mismo vuelvo al corazón que les dio a Onnes y los suyos. Cuando miraron el termómetro vieron que estaba sumergido en una pequeña cantidad de líquido transparente.

Habían condensado helio a 4,2 K.

Y, como tantas otras veces en la historia de la ciencia, no había sido por tener una idea teórica revolucionaria, sino por la atención al detalle y la superación de todos los obstáculos experimentales que puedas imaginar. También como tantas otras veces, en la física experimental había vencido la meticulosidad de una persona de edad madura, lo mismo que en la física teórica suele vencer la frescura de la juventud.

Tan difícil había sido lograr el éxito que, tras la obtención de 60 ml de helio líquido en Leiden el 10 de julio de 1908 y la publicación de los detalles del experimento, todo el mundo conoció el método de Onnes para conseguirlo… pero no les sirvió de nada, porque el diablo estaba en los detalles.

El siguiente en lograr helio líquido fue el canadiense John McLennan, en Toronto… en 1923. Durante quince larguísimos años el laboratorio de Heike Kammerlingh Onnes fue el único en el mundo en ser capaz de condensar helio. Naturalmente, según pasaron los años y mejoraron los instrumentos se hizo más y más fácil obtener helio líquido hasta que todos los países tenían sus plantas productoras y el proceso perdió todo el glamour, pero durante tres lustros Leiden fue la Meca de quienes trataban de condensar helio. Y el bonachón de Onnes no tenía el menor problema en, todo ufano, enseñar su pequeña planta industrial de Leiden a quienquiera que pasase por allí.

Onnes en su laboratorio junto a (de izquierda a derecha) Paul Ehrenfest, Hendrik Antoon Lorentz y Niels Bohr.

Y aquí llegamos, por fin, a la auténtica razón de que este holandés recibiera el Nobel en 1913. Todo tipo de científicos excelsos pasaron por allí, porque Onnes tenía algo muy especial. Disponer de un baño de helio líquido a 4 K suponía la posibilidad de realizar experimentos a la temperatura más baja alcanzada jamás en nuestro planeta de manera natural o artificial. Si recuerdas lo que decíamos al principio sobre la madurez de una ciencia y la necesidad a veces de llegar a condiciones extremas, éste es un excelente ejemplo de ello. Las condiciones en Leiden eran más extremas que en ningún otro lugar de la Tierra.

Por ejemplo, entre finales del XIX y principios del XX se habían ido refinando las teorías sobre la naturaleza eléctrica de la materia. Entre otras cosas, los científicos se preguntaban sobre qué conducía la electricidad en los metales y cómo lo hacía. Cuando Onnes obtuvo helio líquido ya teníamos bastante claro que los responsables de la conducción eléctrica en los metales eran electrones libres, pero ¿qué sucedería según el metal se enfriaba?

Para enfriar mucho un metal no hacía falta helio: con hidrógeno a 20 K ya se tenían condiciones bastante extremas. James Dewar, Wróblewski y Olszewski ya habían realizado experimentos enfriando oro y platino –metales que pueden obtenerse bastante puros con relativa facilidad–, y hasta donde habían llegado, la resistencia eléctrica de esos metales disminuía con la temperatura.

De acuerdo con las teorías electrónicas de la época, esto tenía sentido (y, si no lo has leído, te recomiendo que antes de seguir eches un ojo al artículo que dedicamos aquí a la resistencia eléctrica): cuanto más frío está el metal, menos vibran sus átomos. Por lo tanto, más facilidad tienen los electrones libres de moverse por el metal sin chocar con ellos.

Llevando este razonamiento al límite, la resistencia seguiría bajando hasta que, a 0 K, se hiciera cero. Así pensaba, entre otros, James Dewar. Otros, sin embargo, no estaban de acuerdo. Según ellos, si la temperatura seguía bajando, y con ella la energía cinética media de las partículas que componen el metal, llegaría un momento en el que los propios electrones se detendrían. A 0 K absolutamente todo estaría parado, de modo que el movimiento electrónico sería imposible –se habría extraído toda la energía cinética de todas las partículas de metal–, y la resistencia sería infinita, no cero. Hacía falta comprobar de manera empírica quién tenía razón.

El aguafiestas: Walther Hermann Nernst (1864-1941).

El problema era que 20 K es una temperatura muy baja, pero tórrida comparada con 0 K. El alemán Walther Hermann Nernst enunció en 1905 un principio termodinámico que supuso un segundo problema — la tercera ley de la Termodinámica, que afirma –como siempre, dicho mal y pronto– que es imposible alcanzar 0 K. Nernst ganaría el Nobel de Química de 1920 por esto, y de ello hablaremos largo y tendido cuando llegue el momento, como puedes imaginar, pero la consecuencia inmediata era que no sería posible jamás realizar experimentos a 0 K.

Ahora bien, tras el logro de Onnes, sí era posible realizar experimentos muy cerca de esa temperatura: con helio líquido era posible llegar incluso por debajo de 4 K. El holandés preparó experimentos para enfriar platino y oro en un baño de helio líquido. Sin embargo, el resultado fue ambiguo: la resistencia alcanzaba un valor mínimo a unos 5 K y no bajaba de ahí, al menos hasta donde Heike podía llegar (unos 1,5 K).

Pero el holandés tenía las virtudes del físico experimental de verdad: era suspicaz de sí mismo, perfeccionista y metódico. ¿Y si la resistencia no seguía bajando, no porque ése fuera el comportamiento del oro y el platino, sino porque los metales no estaban puros? Si había impurezas, a temperaturas normales la modificación en el comportamiento del metal sería imperceptible, pero en estas condiciones tan extremas esa modificación sería, en comparación con la minúscula resistencia del metal, gigantesca respecto al valor del metal puro.

Diagrama del experimento con mercurio de Onnes.

De modo que Onnes decidió emplear un metal aún más fácil de purificar que los otros dos: el mercurio. Una vez aislado hasta una pureza extrema cuando aún era líquido a temperatura ambiente, el holandés lo enfrió más y más en su baño de helio líquido. La resistencia disminuyó con la temperatura hasta que, a 4,2 K, sucedió algo esperado y algo inesperado al mismo tiempo.

James Dewar y similares tenían razón, y el experimento de Onnes confirmó su hipótesis: la resistencia se acababa haciendo cero, al menos dentro de la sensibilidad de detección de los aparatos del holandés. Esto era, al menos por algunos, esperado, aunque suponía un enigma teórico interesante: si el metal tenía resistencia cero es que conducía perfectamente la corriente eléctrica, luego sus electrones podían moverse libremente por el metal. Pero si los electrones se movían, es que tenían energía cinética a pesar de la temperatura gélida… ¿como era esto posible, si la temperatura medía precisamente esa energía cinética?

Pero había algo aún más inesperado.

A 4,21 K la resistencia del mercurio era unas quinientas veces menor que a 273 K (es decir, 0 °C). Pero cuando la temperatura bajaba una centésima a 4,2 K la resistencia disminuía dos mil veces, hasta hacerse la millonésima parte de su valor a 0 °C. No había un descenso gradual, sino un escalón absolutamente abrupto y desconcertante.

Resultados de la resistencia del mercurio en función de la temperatura en el experimento de Onnes.

La temperatura más baja a la que Onnes podía llegar en su laboratorio era de 1,5 K, y para entonces la resistencia del mercurio se había hecho mil millones de veces menor que a 0 °C. El comportamiento del mercurio a estas gélidas temperaturas, por lo tanto, no era una simple modificación gradual del comportamiento en condiciones normales: Heike Kammerlingh Onnes se encontraba ante un nuevo fenómeno radicalmente distinto de lo que podemos ver a temperaturas ordinarias. Leer sus propias palabras me da escalofríos (énfasis mío):

Como he dicho, el experimento no dejó lugar a dudas de que, dentro de la precisión de medida disponible, la resistencia desaparecía. Al mismo tiempo, sin embargo, sucedió algo inesperado. La desaparición no tuvo lugar gradualmente sino de manera abrupta. De 1/500 a 4,2 K cayó a la millonésima parte. A la temperatura más baja, 1,5 K, pudo determinarse que la resistencia era menor de la mil millonésima parte a temperatura normal.

Por lo tanto, el mercurio a 4,2 K ha entrado en un nuevo estado que, por sus peculiares propiedades eléctricas, puede llamarse estado de superconductividad.

En el artículo original que el holandés publicó en 1911 el término que empleó fue supraconductividad, pero en muy poco tiempo se cambió por superconductividad, que es el que seguimos utilizando hoy en día.

Ésta es la razón de que Heike Kammerlingh Onnes ganara el Nobel de Física de 1913: no la obtención de helio líquido en sí misma, por fascinante que sea la historia –al menos, si eres rarito como yo–, sino el hecho de que, utilizándolo, el holandés descubrió la superconductividad. El fenómeno era absolutamente desconcertante, casi mágico y maravilloso. Onnes pudo reproducirlo con otros metales posteriormente, y vio que en todos ellos, por debajo de cierta temperatura que siempre era muy baja, la resistencia desaparecía o, al menos, se hacía tan pequeña que sus instrumentos no eran capaces de detectar su valor, con lo que el metal se convertía en un conductor perfecto, un superconductor.

La conferencia de Solvay de 1911. El tamicero añejo podrá reconocer al menos a Einstein, Nernst, Poincaré, Onnes, Curie, Michelson, Wien y Lorentz. Nuestro héroe de hoy está justo a la izquierda de Einstein.

Como ejemplo de este carácter casi mágico –no puedo imaginar la cara de Onnes al hacer el experimento–, el holandés inició una corriente en una bobina metálica a temperaturas de superconducción. Luego apagó el interruptor, y la corriente siguió circulando por la bobina sin disminuir un ápice sin fuente externa de energía. Una vez los electrones empezaban a circular por la bobina, no se detenían, ya que no perdían energía en colisión alguna con nada.

Sin embargo, no todo era magia. Onnes comprobó que la resistencia a estas temperaturas se volvía normal si la corriente era demasiado grande: sólo se mantenía nula si por el cable se movían muy pocos electrones. Sin embargo, dentro de los márgenes requeridos –muy poca intensidad de corriente y muy baja temperatura– el metal era un conductor perfecto dentro del margen de error instrumental de Onnes.

La comunidad científica quedo completamente patidifusa. ¿Por qué la resistencia caía de este modo? ¿Tenía esto que ver con la naciente mecánica cuántica, con los osciladores de Planck y cosas parecidas? ¿Cómo era posible que, con la Física ya casi hecha –en la mente de muchos científicos de la época– nos topáramos de pronto con un fenómeno tan inexplicable?

Un imán flotando sobre un superconductor (Mai-Linh Doan/CC 3.0 Attribution-Sharealike License).

¡Ah!, la respuesta a todas esas preguntas tendría que esperar, y décadas más tarde otros científicos se apoyarían en los experimentos de Onnes para construir teorías que pudieran explicarlos. Como tantas otras veces, el péndulo debía oscilar de la experimentación a la elaboración de nuevas teorías. El “tic” había sido el experimento de superconducción de Onnes, pero faltaba el “tac”. Y las sorpresas no habían hecho más que empezar, porque la resistencia nula no era lo único mágico relacionado con los superconductores. Como verás si lees el discurso, en 1913 ya había científicos intentando explicar el fenómeno, y tal vez sus nombres te suenen. Pero eso es otra historia, y tendrá que esperar a otra ocasión…

Además de con el agradecimiento que hayas leído este ladrillo hasta el final, no puedo terminar, como siempre, sin dejar aquí las palabras que pronunció Th. Nordstrom, Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, el diez de diciembre de 1913:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros:

En su reunión del once de noviembre, la Real Academia de las Ciencias decidió otorgar el Premio Nobel de Física del año 1913 al Dr. Heike Kamerlingh Onnes, Catedrático de la Universidad de Leiden, por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas, que llevaron, entre otras cosas, a la obtención de helio líquido.

Hace ya cien años, la investigación sobre el comportamiento de los gases a diversas presiones y temperaturas proporcionó un gran impulso a la física. Desde ese momento el estudio de la conexión entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases ha desempeñado un papel muy importante en la física y particularmente en la termodinámica – una de las disciplinas más importantes de la física moderna.

En los años 1873 y 1880 Van der Waals publicó sus famosas leyes que gobiernan los gases, las cuales, por su gran importancia para la termodinámica, fueron galardonadas por la Real Academia de las Ciencias en 1910 con el Premio Nobel de Física [y tienen su propio artículo en esta serie].

Las leyes termodinámicas de Van der Waals se establecieron sobre una base teórica bajo la suposición de que era posible atribuir ciertas propiedades a las moléculas y las fuerzas moleculares. En el caso de los gases cuyas propiedades cambian con la presión y la temperatura, o que por una razón u otra no cumplen las hipótesis de Van der Waals, aparecen desviaciones de estas leyes.

Por lo tanto, un estudio sistemático de estas desviaciones y de los cambios que sufren debido a la temperatura y la estructura molecular de los gases contribuirían enormemente a nuestro conocimiento de las propiedades de las moléculas y de los fenómenos asociados con ellas.

Kamerlingh Onnes estableció fu famoso laboratorio a principios de la década de 1880 precisamente para realizar esta investigación, y en él diseñó y mejoró, con un éxito inusual, los aparatos físicos necesarios para sus experimentos.

Es imposible dar cuenta aquí de manrea breve de los muchos e importantes resultados de su trabajo. Abarcan las propiedades termodinámicas de una serie de gases monoatómicos y diatómicos y sus mezclas a bajas temperaturas, y han contribuido al desarrollo de la termodinámica moderna y a la comprensión de fenómenos asociados a ella que son muy difíciles de explicar. También han supuesto importantes contribuciones a nuestro conocimiento de la estructura de la materia y de los fenómenos relacionados con ella.

Pero, aunque estas investigaciones son importantes por sí mismas, han ganado mayor significación aún puesto que nos han llevado a alcanzar las temperaturas más bajas jamás logradas. Éstas se encuentran en las cercanías del denominado cero absoluto, la temperatura termodinámica más baja posible.

El logro de temperaturas muy bajas en general no fue posible hasta que aprendimos a condensar los así llamados gases permanentes, que, desde el trabajo pionero de Faraday en este campo a mediados de la década de 1820, ha sido una de los retos más importantes de la termodinámica.

Después de que Olszewski, Linde y Hampson obtuvieran aire y oxígeno líquidos por diversos métodos, y después de que Dewar, tras superar grandes dificultades experimentales, consiguiera condensar hidrógeno, pudimos obtener cualquier temperatura hasta los -259 °C, es decir, cualquier temperatura hasta 14 °C del cero absoluto.

A estas temperaturas tan bajas es posible condensar todos los gases conocidos fácilmente, todos excepto el helio, que fue descubierto en la atmósfera en 1895.

Si pudiéramos condensar helio podríamos alcanzar temperaturas aún más bajas. Después de que Olszewski, Dewar, Travers y Jaquerod hubieran intentado en vano obtener helio líquido utilizando diversos métodos, se llegó a la conclusión general de que era imposible hacerlo.

Sin embargo, el problema fue resuelto en 1908 por Kamerlingh Onnes, que obtuvo helio líquido por primera vez.

Tendría que extenderme demasiado si explicase aquí el aparato experimental que llevó a Kamerlingh Onnes finalmente al éxito en la condensación del helio, y las enormes dificultades experimentales que tuvo que usperar. Sólo mencionaré aquí que la licuefacción del helio representa una continuación de la larga serie de investigaciones sobre las propiedades de los gases y líquidos a bajas temperaturas que Kamerlingh Onnes ha llevado a cabo de tan admirable manera. Estas investigaciones han llevado finalmente a la determinación de las denominadas isotermas del helio, y el conocimiento así obtenido fue el primer paso hacia la licuefacción del helio. Kamerlingh Onnes ha fabricado baños fríos con helio líquido que permiten realizar investigaciones sobre las propiedades de las sustancias a temperaturas entre 4,3 y 1,15 °C del cero absoluto.

El alcanzar estas temperaturas tan bajas es de la máxima importancia para la investigación en física, pues a estas temperaturas las propiedades de las sustancias y su comportamiento son generalmente muy distintos de los que se observan a nuestras temperaturas normales y más altas, y comprender estos cambios es de importancia fundamental para responder a numerosas preguntas de la física moderna.

Permítanme mencionar una de éstas aquí de manera concreta.

Se han transferido diversos principios prestados de la termodinámica de los gases a la denominada teoría electrónica, la guía principal de la física para explicar todos los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos además de muchos fenómenos térmicos.

Las leyes a las que hemos llegado de este modo parecen confirmarse mediante las medidas tomadas a nuestras temperaturas normales y otras más altas. Sin embargo, la situación no es la misma a temperaturas muy bajas, como han demostrado, entre otras cosas, los experimentos de Kamerlingh Onnes sobre la resistencia eléctrica a temperaturas de helio líquido y mediante las conclusiones obtenidas por Nernst y sus alumnos sobre el calor específico a las mismas temperaturas.

Se ha hecho más y más claro que es necesaria una modificación de la teoría electrónica en sí. Ya se ha iniciado el trabajo teórico en este sentido por parte de varios investigadores, entre ellos Planck y Einstein.

Mientras tanto, hace falta crear nuevos apoyos para estas investigaciones. Éstos pueden obtenerse únicamente mediante el estudio experimental constante de las propiedades de las sustancias a bajas temperaturas, particularmente a las temperaturas de helio líquido, que son las más adecuadas para iluminar los fenómenos del mundo electrónico. El mérito de Kamerlingh Onnes reside en el hecho de que ha creado esta posibilidad, y al mismo tiempo ha abierto un campo de la máxima importancia y significación para las ciencias físicas.

Por la enorme importancia que el trabajo de Kamerlingh Onnes ha demostrado tener para la investigación física, la Real Academia de las Ciencias ha encontrado razón de sobra para otorgarle el Premio Nobel de Física del año 1913.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Física de 1913
• Heike Kammerlingh Onnes / Heike Kammerlingh Onnes
• Little cup of helium, big science
• Discurso de aceptación de Heike Kammerlingh Onnes