PAULI: El Espín. Los Electrónes Bailan – Juan Antonio Caballero

En la década de 1920 todos los caminos de la nueva teoría cuántica confluían en Copenhague. Allí, Niels Bohr, el padre del primer modelo cuántico del átomo, fundó su famoso instituto de física teórica en 1922. A partir de ese momento, el instituto de Bohr se convirtió durante algunos años en el centro receptor de todos aquellos investigadores, jóvenes doctores o simplemente estudiantes interesados en la nueva teoría cuántica. Aunque Bohr seguía manteniendo una actividad científica muy activa, el papel estelar en aquella década correspondió a una nueva generación de jóvenes físicos que llevó a cabo la mayor revolución nunca antes vista en el ámbito de la física y de la ciencia en general.

Uno de aquellos jóvenes fue Wolfgang Pauli. Todos los años, durante la primavera, se organizaba en el instituto de Bohr una conferencia en la que los participantes discutían sobre los últimos avances en la teoría cuántica. La conferencia de 1932 estuvo centrada en el descubrimiento del neutrón, realizado pocos meses antes por parte de James Chadwick. Este hallazgo fue de una importancia capital, puesto que permitió explicar y describir la estructura de los núcleos atómicos, es decir, la estructura de la materia. Sin embargo, también fue el origen de cierta confusión lingüística al coincidir su nombre con el que previamente había usado Pauli para denominar la «hipotética» partícula que se había visto obligado a introducir para explicar 7 8 el proceso radiactivo de decaimiento beta.

El «neutrón» de Pauli, una partícula sin carga eléctrica y sin masa, fue el tema de recurrentes discusiones entre los físicos durante aquellos años, sin embargo, el término «neutrón» nunca apareció escrito en ninguna publicación científica antes del descubrimiento de Chadwick. Era obvio que ambas partículas, el neutrón observado por Chadwick y el «neutrón» hipotético de Pauli, eran muy diferentes y, por tanto, la partícula de Pauli tuvo que cambiar de nombre. Fue el físico italiano Enrico Fermi quien le dio su nueva denominación: «neutrino» (pequeño neutrón). Las discusiones sobre el neutrino fueron tan intensas que algunos físicos, como el mismo Bohr, llegaron a cuestionar el propio principio de conservación de la energía. Otros, como Paul Ehrenfest, mostraron durante toda su vida una posición muy escéptica sobre la existencia del neutrino. De hecho, hubieron de transcurrir más de veinticinco años para que el neutrino de Pauli fuese finalmente observado experimentalmente ( ello tuvo lugar en 1956). Durante la conferencia de 1932 los jóvenes físicos asistentes decidieron llevar a cabo una original representación del Fausto de Goethe.

En la obra, Mefistófeles intenta persuadir por todos los medios al incrédulo Fausto para que acepte al «elusivo» neutrino. Pauli era el encargado de representar a Mefistófeles, el incrédulo Ehrenfest hacía el papel de Fausto, y Bohr actuaba como Nuestro Señor. En cierto momento de la representación, Bohr (el Señor) presentaba a Ehrenfest (Fausto) como su caballero, y la respuesta de Pauli (Mefistófeles) era: «Su caballero, su esclavo. Le advierto que, si me permite tentar a su caballero, hará todo aquello que yo desee». En otro momento de la obra, Bohr le preguntó a Pauli: «Si no considera masa ni carga, ¿qué queda pues?», y Mefistófeles contestó: «Querido Señor, la respuesta es elemental: el neutrino.

Despierte y use su mente», una réplica que evidencia el especial carácter de Pauli. W olfgang Pauli nació con el siglo xx y formó parte de una nueva generación de jóvenes físicos que, durante la década de 1920, modificaron por completo el panorama de la física y la visión del mundo natural. Pauli, junto con Heisenberg, Dirac, Jordan, Bom y Schrodinger, contribuyó a fundar la nueva teoría cuán tica, la denominada mecánica cuántica. Sin embargo, antes del nacimiento de dicha teoría, Pauli ya dio muestras de su enorme brillantez. Desde muy joven, durante sus años en la escuela secundaria, ya estaba considerado como un verdadero prodigio. Con dieciocho años recién cumplidos, antes de entrar en la universidad y solo tres años después de la aparición de la teoría general de la relatividad, publicó sus dos primeros trabajos sobre dicha teoría, trabajos que fueron elogiados por el eminente matemático Hermann Weyl. Siendo un experto en la teoría de la relatividad, sus años en la Universidad de Múnich le llevaron por un nuevo camino: comenzó a explorar el extraño mundo cuántico bajo la supervisión de uno de los profesores más reconocidos del momento, Amold Sommerf eld. Siendo un joven tan brillante y con un conocimiento tan profundo de la física clásica, el descubrimiento de las «leyes cuánticas» le produjo una gran inquietud.

Él mismo, muchos años después, lo expresó con las siguientes palabras: «Cualquier físico acostumbrado a la forma clásica de pensar sufrió un slwck cuando fue consciente por primera vez de los postulados básicos de la teoría cuántica introducidos por Bohr». A partir de ese momento y durante el resto de su vida, la teoría cuántica se convirtió en su compañera inseparable. La enorme capacidad de Pauli y su intenso trabajo dieron frutos en muy pocos años. A finales de 1924, con solo veinticuatro años, Pauli ya había encontrado la respuesta al problema que le había obsesionado casi desde que entró en la universidad: la explicación del efecto Zeeman anómalo.

El famoso principio de exclusión, conocido desde entonces como «principio de Pauli», estaba en su mente desde meses atrás, pero solo se atrevió a publicarlo cuando estuvo seguro de su corrección y valor. Una muestra más del carácter «hipercrítico» de Pauli, en este caso aplicado a sí mismo. El principio de exclusión es, con seguridad, la contribución científica más impactante de Pauli, y marca, en opinión de muchos físicos, su momento álgido de creatividad. A pesar de ello, Pauli siguió obsesionado durante años por el principio de exclusión, intentando encontrar un argumento sólido e incuestionable que permitiese justificar su razón de ser a partir 9 10 de los postulados básicos de la mecánica cuántica El principio de exclusión fue fruto de un enorme trabajo, pero también de una sorprendente intuición.

Quizá fue una de las pocas ocasiones en que Pauli permitió que su «genial intuición» venciese a su desmedido conocimiento y su visión crítica de la física. El principio de exclusión permite entender cómo se disponen los electrones en el interior de los átomos, proporcionando una explicación de la estructura íntima de la materia y de su estabilidad. Es difícil encontrar un can1po en la ciencia donde el principio de exclusión no esté presente. Por dicha razón, no es fácil entender que transcurrieran veinte años desde su descubrimiento para que a Pauli le concediesen el premio Nobel. La siguiente ocasión donde de nuevo pudo verse el «atrevimiento» de Pauli fue cuando postuló la existencia del neutrino. En este caso, necesitó varios años de continuas discusiones con sus colegas para decidirse finalmente a publicar su teoría. El año 1925 marca el comienzo de la nueva teoría cuántica ( el «nuevo testamento» en palabras de Pauli). Aunque Pauli tuvo una participación activa en dicho nacimiento, fueron otros físicos los que tuvieron el papel estelar, desarrollando las ideas germinales de la nueva visión del mundo físico. Heisenberg, Schródinger y Dirac fueron los artífices directos de esta nueva revolución.

Es indudable que ellos fueron los «creadores» de la nueva teoría, pero también resulta incuestionable que la visión crítica y las continuas discusiones de Pauli permitieron cimentar la mecánica cuántica, convirtiéndola en una teoría perfectamente coherente y consistente. Pauli realizó contribuciones fundamentales en prácticamente todas las ramas de la física teórica. Uno de los campos que atrajo con mayor intensidad su atención, y en el cual trabajó durante toda su vida, fue el estudio de la interacción entre la radiación y la materia. Tras los trabajos seminales de Jordan y Dirac, Pauli y Heisenberg desarrollaron el formalismo que puso los cimientos de lo que años después terminó denominándose «teoría cuántica de campos». Pauli estuvo obsesionado toda su vida con este problema, y fueron famosas sus críticas y desavenencias con numerosos físicos, en especial con Dirac y lo que el mismo Pauli denominó su «íntimo enemigo»: la teoría de agujeros ( o de huecos) de Dirac.

Al margen de sus indudables aportaciones científicas, Pauli fue famoso por su carácter difícil y sus mordaces críticas a todos aquellos estudios o teorías que requerían su atención. Para aquellos trabajos que consideraba poco importantes su único comentario era: «Ni siquiera son erróneos».

Todos sus colegas, no importa el grado de reconocinüento que tuviesen, fueron blanco de sus dardos. Así, se cuenta la anécdota de que siendo aún un estudiante en la Universidad de Múnich asistió a un seminario impartido por Albert Einstein y, en cierto momento, en respuesta a un comentario realizado por Einstein, se le oyó exclamar desde el fondo de la sala: «[ … ]lo que el señor Einstein ha dicho no es completamente estúpido». En ocasiones, los comentarios podían resultar bastante más hirientes. Es famoso el primer encuentro de Pauli con el físico vienés Paul Ehrenfest. Tras una breve discusión, en la que con toda seguridad se puso de manifiesto el carácter de Pauli, Ehrenfest le dijo: «Después de haberle conocido personalmente, debo decirle que me agradan más sus trabajos que usted mismo». La réplica de Pauli fue inmediata: «A mí con usted me sucede lo contrario: me agrada más usted que sus trabajos». Aunque parezca difícil de creer, ambos físicos mantuvieron una estrecha amistad durante toda su vida. Quizá la mejor forma de comprender el carácter y el comportamiento de Pauli es citar a uno de sus más estrechos colaboradores en la década de 1930, el físico Víctor Weisskopf:

En la primavera de 1933 fui llamado por Pauli para ser su ayudante durante los siguientes tres años. La reputación de Pauli era bien conocida por todos y pedí consejo a Peierls, quien había sido su ayudante los años previos. Peierls me dijo que no me preocupase: «Pauli es de hecho muy agradable, casi como un niño. Su supuesto carácter desagradable procede fundamentalmente de su honestidad científica. Siempre dice lo que piensa, y esto es lo que en ocasiones ofende a la gente». Con el tiempo pude comprobar que Peierls tenía razón. Cuando llegué por primera vez al despacho de Pauli y me presenté, sus palabras fueron: «Oh, sí, le estaba esperando, pero realmente a quien yo quería era a Bethe». Algunas semanas después, Pauli me dio algunos problemas para estudiar y al cabo de unos 11 12 días me preguntó sobre mis progresos. Tras mostrarle mi trabajo, su comentario fue: «Después de todo, debería haber contratado como ayudante a Bethe». La actitud crítica y mordaz de Pauli fue una constante durante toda su vida.

Su obsesión por entender perfectamente todos los aspectos relacionados con el problema analizado hizo que mostrase una actitud muy crítica, en ocasiones belicosa e incluso hiriente con respecto a algunos de sus colegas. Sin embargo, todo era reflejo de su propia personalidad y no tenía ningún atisbo de malicia. Muchos físicos consideran que esta fue precisamente la razón por la que sus contribuciones no fueron aún más originales y atrevidas. El físico estadounidense Steven Weinberg dijo en cierta ocasión: «Heisenberg y Dirac pueden haber sido más creativos que Pauli, pero ningún físico ha sido nunca tan brillante». La creatividad de Pauli en ocasiones permaneció oscurecida por la losa de su conocimiento enciclopédico. Sin embargo, ningún problema podía considerarse completamente resuelto antes de tener una respuesta clara a la siguiente pregunta: «¿Qué diría Pauli?».

Heisenberg es, probablemente, el físico que mejor lo conoció. Desde que coincidieron en la Universidad de Múnich a principios de la década de 1920, mantuvieron una amistad y una colaboración profesional que se mantuvo durante el resto de sus vidas. En 1968, ya fallecido Pauli, Heisenberg declaró en una entrevista: El carácter de Pauli era muy distinto al mío. Él siempre fue mucho más crítico. [ … ] Pauli siempre intentaba hallar inspiración en las evidencias experimentales, encontrando, de forma intuitiva, la íntima relación que existía entre las cosas. Al mismo tiempo, intentaba siempre racionalizar sus intuiciones a través de un lenguaje matemático riguroso, de modo que pudiese probar sin lugar a dudas todo aquello que afirmaba. Esto explica que Pauli publicara mucho menos de lo que habría podido publicar si hubiese abandonado uno de los dos postulados previos. Bohr publicó ideas que posteriormente resultaron ser correctas. Otros físicos desarrollaron métodos matemáticos muy elaborados. Pero las dos cosas juntas, creo sinceramente que resultan demasiado pesadas para una sola persona.

Como ya se ha apuntado, los dos momentos álgidos de creatividad en Pauli fueron cuando enunció el principio de exclusión y cuando postuló la existencia del neutrino. En ambos casos, la genial intuición consiguió sobreponerse al afán racionalizador de Pauli. En muchos otros casos no sucedió así, y fueron otros físicos los que se adelantaron en introducir ideas y conceptos que ya estaban en su mente. Esto es lo que sucedió, por ejemplo, con el espín. En este caso, Pauli no solo fue incapaz de dar un paso que ya estaba implícito en su principio de exclusión, sino que incluso desanimó a otros físicos a que lo diesen. A pesar de ello, Pauli terminó convirtiéndose en un referente fundamental para todos los físicos de su época. De hecho, algunos de sus colegas lo consideraban «la conciencia de la física teórica».