Descripción

En 1929, cuando tenía veintiún años, Lev Davidovitch Landau decía a sus amigos que había nacido demasiado tarde, porque las mujeres más guapas ya estaban casadas y las teorías físicas más importantes ya habían sido descubiertas. Esta broma refleja dos aspectos opuestos de su personalidad. Por un lado, su enorme timidez y su inseguridad en el trato con las mujeres, y en general con los demás, lo que en gran medida se debía a su precocidad. Después de una infancia bastante solitaria, Landau ingresó en la universidad con solo catorce años, entre estudiantes mayores y más maduros que él. Un adolescente larguirucho y desgarbado tenía pocas posibilidades de atraer a sus compañeras de mayor edad. Pero, por otro lado, esta misma precocidad hacía que tuviera una enorme confianza en sí mismo en todo lo relacionado con la física, un terreno en el que se sentía superior a sus demás compañeros.

Landau era consciente de sus dotes especiales para plantear y resolver problemas difíciles en cualquier campo de la física, para analizar con total precisión desde el aspecto científico las ideas e hipótesis que se le plantearan. Las teorías físicas a las que hacía referencia eran, claro está, la relatividad y la mecánica cuántica. Fueron creadas para entender problemas que aparentemente no tenían consecuencias prácticas, corno la invariancia de las leyes físicas o las propiedades de átomos y moléculas. Sin embargo, nuestro mundo actual ri.o sería el que es sin el desarrollo de estas teorías. Por poner solo algunos ejemplos, se ha estimado que en torno al 30% del producto interior bruto de Estados Unidos tiene su origen en aplicaciones de la mecánica cuántica, como ordenadores, teléfonos móviles, láseres, etcétera. Y sin la relatividad, los sistemas de posicionamiento global (GPS) no serían tan precisos.

La relatividad fue obra de una sola persona, Albert Einstein, quien elaboró la teoría restringida en 1905 y la temia general en 1914. En cambio, la mecánica cuántica fue una empresa colectiva en la que intervinieron muchos científicos, incluido Einstein. Se inició en 1900 con la hipótesis de Planck y culminó en 1925-1926 con la versión matricial de Heisenberg, Jordan y Born, y la versión ondulatoria de Schrodinger. Son dos versiones equivalentes de la teoría rigurosa general que llamamos mecánica cuántica. Siendo estudiante en la Universidad de Leningrado, Landau quedó fascinado por la simplicidad y belleza de las teorías de Einstein. En cuanto a la mecánica cuántica, la aprendió al mismo tiempo que se desarrollaba, leyendo los artículos publicados por sus creadores, y aunque él mismo publicó, siendo aún estudiante, algunos artículos sobre diversos aspectos de la nueva teoría, Landau se encontró ante una teoría prácticamente elaborada y completa. No es pues de extrañar que pensara que, de haber empezado dos o tres años antes, habría podido ser él mismo uno de los creadores de la mecánica cuántica.

Landau nunca se interesó en el debate sobre los fundamentos e interpretación de la mecánica cuántica, sino que se dedicó a aplicarla a una gran variedad de problemas concretos, para poder explicar las propiedades observadas de la materia. En muchos casos fue capaz de establecer un marco teórico general que abarca situaciones más amplias que el problema concreto que la motivó. Se habla de física moderna, en contraposición a la física clásica, para referirse a la relatividad y la teoría cuántica. No hay que pensar por ello que la física clásica ha quedado obsoleta, pues basta y sobra para resolver problemas como la construcción de un rascacielos, la transmisión de ondas electromagnéticas o para explicar el vuelo de un avión. No hay que olvidar el aspecto acumulativo de la ciencia: cuando las hipótesis iniciales superan un amplio cortjunto de pruebas observacionales, experimentales, lógicas, etcétera, se convierten en conocimientos permanentes o verdaderos, si se quiere utilizar esta arriesgada palabra Son conocimientos válidos dentro de ciertos límites, y la física moderna ha mostrado de forma precisa los límites de la física clásica.

Dos de estos límites son fácilmente cuantificables por los valores de la velocidad de la luz y de la constante de Planck. Cuando las velocidades típicas de un fenómeno son comparables a la velocidad de la luz en el vacío (300000 km/s), la física clásica es insuficiente, y es necesario el uso de la física relativista. De la misma manera, si las acciones características de un sistema ( acción es el nombre que se da en física al producto de energía y tiempo) son comparables al valor de la constante de Planck (6,6. 10-34 J. s), es necesario recurrir a la física cuántica. En toda lógica, podemos preguntamos si estas modernas teorías tienen también sus limitaciones.

En principio, nada impide que en un futuro más o menos próximo surjan nuevos fenómenos físicos o nuevos conceptos que requieran de una nueva teoría que acote el dominio de validez de la física moderna. De hecho, las que de manera bastante pomposa se llaman «teorías del todo» tienen precisamente esta ambición, integrar la mecánica cuántica y la gravitación, y unificar las cuatro interacciones fundamentales conocidas. La física clásica deja también de ser válida cuando las temperaturas en juego son «suficientemente bajas». Pero en este caso no hay una constante universal con dimensiones de temperatura para establecer un límite cuantitativo, pues este depende de las características del sistema físico. De momento mantendremos la vaguedad del entrecomillado, que se irá precisando más adelante.

Naturalmente, una temperatura muy próxima al cero absoluto será suficientemente baja Pero hay sistemas como los metales, las estrellas llamadas enanas blancas o las estrellas de neutrones, en los que temperaturas suficientemente bajas pueden ser de decenas de miles o incluso millones de grados, es decir, altas o muy altas a nuestra escala. Digamos de pasada que muy a menudo se asocia la física cuántica exclusivamente con el mundo de los átomos, moléculas, núcleos atómicos … , es decir, con sistemas microscópicos cuyos tamaños se miden en nanómetros (1 nm= 10-9 m), o femtómetros (1 fin= 10-15 m). Implícita.mente, parece darse a entender que la física cuántica es irrelevante en sistemas macroscópicos, de escalas mayores, cosa que no es cierta. Aparte de que la propia estabilidad de la materia es un fenómeno cuántico, los metales y las estrellas son ejemplos de sistemas cuánticos a escala macroscópica.

Las contribuciones más importantes de Landau se refieren a las propiedades cuánticas de sistemas macroscópicos a muy bajas temperaturas. Recibió el premio Nobel de Física de 1962 «por sus teorías pioneras para la materia condensada, especialmente el helio líquido». El nombre de materia condensada se refiere a sistemas cuánticos con un gran número de constituyentes, que interaccionan entre sí con una intensidad que dista mucho de ser despreciable. Los sólidos y líquidos de la vida cotidiana son ejemplos específicos de materia condensada. Pocos físicos teóricos del siglo xx merecen como Landau el calificativo de físico global por la diversidad de campos en los que ha hecho aportaciones significativas. Estas siguen teniendo interés actual, como queda de manifiesto con epónimos como «diamagnetismo de Landau», «niveles de Landau», «espectro de Landau», «teoría de Landau sobre transiciones de fase», «teoría de Landau sobre la superfluidez», «teoría de Landau sobre los líquidos de Fermi», «parámetros de Landau» o «teoría de Ginzburg-Landau sobre la superconductividad», que aparecen en a,.rtículos científicos y libros de texto.

Sus trabajos pioneros no solo siguen nutriendo los estudios actuales sobre la materia condensada, sino también en física nuclear, dinámica de fluidos, astrofísica, física de plasmas, rayos cósmicos o partículas elementales. Además de sus aportaciones a la física, Landau dejó dos legados importantes. En primer lugar, los diez volúmenes de su famoso Curso de Física Teórica, escritos con su discípulo, colaborador y amigo Evgeny Lifshitz. Este curso ha sido traducido a una veintena de lenguas y aún se sigue editando. Para muchos estudiantes de física, es la primera ocasión de conocer el nombre de Landau. Su otro gran legado fue la formación de una importante escuela soviética de física teórica. Tanto el Curso de Física Teórica como la escuela de Landau reflejan su visión tan peculiar de la física, concebida como un todo, sin compartimentos estancos.

La escuela de Landau no fue, claro está, la única que existió en la URSS, ni siquiera en física teórica. Tras la Segunda Guerra Mundial, la URSS se convirtió en una superpotencia, especialmente en el aspecto militar, capaz de producir armamento nuclear, misiles intercontinentales o lanzar satélites artificiales. Es evidente que esto solo pudo conseguirse gracias a la existencia de un nutrido grupo de científicos e ingenieros de alto nivel. No es que no hubiese grandes científicos durante el zarismo, pero se trataba de casos aislados. Durante los primeros años del poder soviético se creó una potente red de instituciones formativas, científicas y técnicas, que propició la aparición de muchos científicos e ingenieros con una excelente y sólida formación. Todo ello permitió el rápido desarrollo industrial soviético en muchos sectores. Pero al mismo tiempo que se impulsaba el desarrollo de la ciencia en general, también se intentó imponer en ella una visión acorde con la doctrina oficial del materialismo dialéctico.

La física moderna corrió mejor sµerte que la genética, que fue oficialmente prohibida en 1948 como «pseudociencia burguesa», en favor de las ideas vernalistas de Lyssenko. La física moderna no solo establece límites de aplicabilidad a la física clásica, sino que también representa una ruptura radical de conceptos e ideas que parecían bien establecidos, como el espacio, el tiempo, la causalidad, la realidad, etcétera. Los creadores de la mecánica cuántica dedicaron mucho tiempo a debatir sus aspectos paradójicos, como la dualidad ondacorpúsculo, el principio de indeterminación, la causalidad, o sus consecuencias filosóficas. Este debate sobre la interpretación de la mecánica cuántica sigue vivo en la actualidad, alimentado por experimentos impensables hace unas décadas. Pero en la URSS de las décadas de 1930 y 1940 el debate se hacía en otros términos, y las diversas interpretaciones de la física moderna se consideraban como un típico producto del idealismo burgués, que era necesario combatir.

En el ambiente político de la URSS, sobre todo durante esos años, la acusación de idealismo podía tener consecuencias muy peligrosas según quién la hiciera. Landau no se salvó de este tipo de acusaciones, que figuran en su expediente policial. En este libro se combinan aspectos biográficos, históricos y divulgativos para presentar el legado científico de Landau. El hilo conductor viene dado por sus aportaciones a la comprensión de los líquidos cuánticos, es decir, de aquellos sistemas macroscópicos que manifiestan un comportamiento cuántico a temperaturas suficientemente bajas. El ejemplo paradigmático de líquido cuántico es el helio líquido, la única sustancia que permanece en estado líquido incluso a una temperatura de cero absoluto. Manifiesta también el fenómeno de la superfluidez, a cuya explicación contribuyó Landau de modo esencial. También veremos con cierto detalle su aportación, junto con Ginzburg, a la comprensión de la superconductividad, y su teoría de los líquidos de Fermi. Para situar en su adecuado contexto la vida y los trabajos de nuestro protagonista, se harán algunas referencias a las instituciones científicas de la URSS y se darán algunos ejemplos para mostrar las tensiones existentes entre la filosofía oficial y la física moderna.