“Richard Feynman, un mago de la Física” por M.A. Vázquez-Mozo
Este texto de Miguel Ángel Vázquez-Mozo apareció originalmente en el número 5 (2009) de la revista CIC Network y lo reproducimos en su integridad por su interés.
Richard Feynman es una de las grandes personalidades de la historia de la Física del siglo XX. Sus cruciales contribuciones a la física teórica se extienden a temas como la teoría cuántica de campos, la física de partículas, la física de la materia condensada y la computación cuántica entre otros. Pero Feynman también ha pasado a la historia por sus geniales lecciones, en las que conseguía transmitir a la audiencia la esencia de las leyes físicas en toda su belleza y simplicidad.
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Richard Feynman es uno de los pocos personajes de la historia de la ciencia que ha transcendido los límites de ésta para convertirse en una celebridad popular. A través de las innumerables anécdotas referidas en libros comoSurely you are joking Mr. Feynman o What do you care what other people think? , el propio Feynman creó una imagen de sí mismo como un científico excéntrico e iconoclasta, al mismo tiempo que en sus magistrales lecciones y conferencias se nos revela como un gran comunicador de la Física. Más allá de esto Richard Feynman es uno de los científicos más creativos del siglo XX y uno de los que más ha marcado el desarrollo de la Física moderna. Por ello lo más interesante es asomarse a su forma de pensar. Como el propio Einstein nos recuerda en sus Notas Autobiográficas, el interés de una personalidad como la que aquí nos ocupa radica en qué pensó y cómo lo pensó, no lo que hizo o sufrió.
Richard Phillips Feynman nació el 11 de mayo de 1918 en Far Rockaway, un suburbio de la ciudad de Nueva York. El ambiente familiar en el que creció fue radicalmente importante para su formación intelectual y su futura carrera científica. Durante toda su vida Feynman siempre recordó la gran deuda intelectual que tenía con su padre, a quien consideraba la persona que más le había influenciado. De él aprendió dos cosas que determinaron su vida posterior. La primera fue preguntarse por la razón de todo lo que ocurría a su alrededor para intentar encontrar por sí mismo una explicación. Además de despertar en él esta curiosidad inquisitiva por el mundo que le rodeaba, la segunda gran lección que Melville Feynman enseño al joven Richard fue la diferencia entre el conocimiento y la erudición: esto es, entre “saber el nombre de algo” y “saber algo”. Estas enseñanzas acompañarían a Feynman a lo largo de toda su vida y marcarían de forma permanente su manera de hacer ciencia.
En este ambiente no es en absoluto extraño que desde su niñez Feynman mostrase interés por ciencias como la Biología, la Química y especialmente las Matemáticas, en las que pronto destacó en el colegio. Ya entonces mostraba esa afición a “jugar” con la Naturaleza que le caracterizaría en el futuro. Construyó un pequeño laboratorio en su casa, donde realizaba experimentos eléctricos, y se especializó en la reparación de aparatos de radio llegando a un nivel de destreza que le procuró una buena reputación entre sus vecinos, que con frecuencia hacían uso de sus habilidades.
La manera en la que Feynman llegó a la Física es no sólo curiosa sino a la vez muy reveladora de su actitud intelectual. Las Matemáticas habían ejercido sobre él una potente fascinación desde niño, por lo que al comenzar en 1935 sus estudios universitarios en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) su objetivo era especializarse en esta disciplina. No tardó sin embargo en desilusionarse; las Matemáticas resultaban estar demasiado desconectadas del “mundo real”. Por ello decidió cambiar su elección de cursos para pasar a especializarse en Ingeniería Eléctrica. Pronto se dio cuenta de que este tampoco era el camino que quería seguir y acabó decidiéndose por la especialización en Física como un término medio adecuado.
Como estudiante en MIT, Feynman publicó dos trabajos científicos sobre los rayos cósmicos y escribió una tesis de licenciatura sobre Física Molecular. Sin embargo, su primera gran contribución a la Física llega con su tesis doctoral en la Universidad de Princeton, dónde había llegado como estudiante graduado en el otoño de 1939. Allí fue asignado como asistente a John Archibald Wheeler, uno de los profesores más jóvenes del departamento. En Princeton, Feynman trabajó en el viejo problema de la interacción de un electrón con su propio campo eléctrico. Usando tanto el electromagnetismo clásico como la mecánica cuántica se llegaba a la absurda respuesta de que esta “autointeracción” tenía como consecuencia que la masa del electrón fuera infinita. Feynman y Wheeler propusieron una solución a este problema que pasaba por una modificación en la manera de entender cómo las partículas emiten y absorben la radiación.
La dificultad, sin embargo, era formular una versión cuántica de la teoría de la radiación de Feynman y Wheeler. Los métodos usuales para pasar de una teoría clásica a una cuántica no eran aplicables en este caso, por lo que era necesario idear un procedimiento completamente nuevo. Feynman rescató en cierta manera el concepto de la trayectoria de una partícula, algo que la formulación habitual de la mecánica cuántica había eliminado.
Se dio cuenta de que cuando una partícula cuántica se desplaza de un punto A a un punto B puede hacerlo a lo largo de cualquier trayectoria que une ambos puntos. Sin embargo no todas ellas suceden con igual probabilidad. La probabilidad de que la partícula siga una determinada trayectoria está determinada por una cantidad numérica bien conocida en mecánica clásica, la acción. En el caso de la mecánica clásica se puede demostrar que la probabilidad es esencialmente cero para cualquier trayectoria excepto para aquella que se obtiene aplicando las leyes del movimiento de Newton. En la física subatómica, sin embargo, es posible que la partícula siga trayectorias prohibidas por las leyes clásicas. Más allá de su aplicación a la teoría de Wheeler y Feynman esta nueva formulación de la mecánica cuántica, llamada “la integral de camino” de Feynman, es una herramienta extremadamente potente para estudiar sistemas cuánticos. Fue gracias a ella que Feynman consiguió formular la teoría cuántica de la electrodinámica de la que nos ocuparemos más adelante.
Feynman y Oppenheimer en Los Alamos | Fuente: Wikimedia Commons
En junio de 1942 Richard Feynman obtuvo su doctorado, pero en ese momento su atención se vio absorbida por la empresa que constituyó el hecho fundacional de toda una generación de físicos, tanto americanos como refugiados europeos. A finales de 1941 Feynman había sido invitado a colaborar en el proyecto de construcción de una bomba atómica, lo que en abril de 1942 se convertiría en el Proyecto Manhattan. Inmediatamente comenzó a trabajar en el problema de la separación de los distintos isótopos del uranio. En marzo de 1943 se trasladó al laboratorio de Los Álamos, dónde pronto se convirtió en líder de uno de los grupos de cálculo. Feynman permaneció en Los Álamos hasta la finalización del proyecto de la bomba atómica, presenciando la primera explosión nuclear en el desierto de Alamogordo en julio de 1945. Los algo más de dos años y medio en que trabajó allí le permitieron trabar contacto con personajes como Niels Bohr, J. Robert Oppenheimer, Enrico Fermi y John von Neumann. Entre ellos se encontraba también Hans Bethe, su supervisor en la Unidad de Cálculo de Los Álamos y profesor en la Universidad de Cornell. La relación tanto científica como personal entre Bethe y Feynman fue muy estrecha y al primero no se le escapó que un físico de la talla de Feynman sería una magnífica adquisición para su universidad. En agosto de 1945 Richard Feynman aceptó una oferta de Cornell. Allí trabajaría desde noviembre de ese mismo año hasta 1951 cuando se trasladaría defi nitivamente al California Institute of Technology (Caltech).
Feynman, recién llegado a Cornell, volvió al viejo problema de construir una teoría cuántica útil y consistente para la interacción de los electrones con el campo electromagnético, libre de los infinitos que surgían por doquier en los cálculos. Armado de sus integrales de camino y de su asombrosa creatividad, atacó y resolvió satisfactoriamente el problema de la formulación de la electrodinámica cuántica. No fue sin embargo el único que lo logró. Simultáneamente y de forma independiente Julian Schwinger, el otro gran físico teórico americano de su generación, había conseguido una formulación de la electrodinámica cuántica usando métodos más habituales que los empleados por Feynman. En Japón, Sin-Itiro Tomonaga también había resuelto el problema hacía años. No obstante, debido al aislamiento que la Segunda Guerra Mundial supuso para la Física japonesa, los resultados de Tomonaga sólo fueron conocidos fuera de Japón en 1947. Tomonaga, Schwinger y Feynman compartirían en 1965 el Premio Nobel de Física por la formulación de la electrodinámica cuántica.
Aunque equivalentes, la versión de Feynman de la electrodinámica cuántica presentaba grandes ventajas prácticas sobre las de Tomonaga y Schwinger. Una de las más importantes era que los cálculos podían llevarse a cabo de manera más simple asociando cada término a calcular con un diagrama. La contribución de cada uno de estos diagramas al resultado final se podía calcular usando una serie de reglas mnemotécnicas, las llamadas reglas de Feynman. Tal es la utilidad práctica de este método que la técnica de los diagramas y reglas de Feynman no sólo se ha convertido en la manera estándar de realizar cálculos en teoría cuántica de campos, sino que ha transcendido la física de partículas para utilizarse en otras áreas tales como la mecánica estadística y la física del estado sólido.
Tras su importantísimo trabajo en la formulación de la electrodinámica cuántica el interés de Feynman se desvió hacia el problema de la superfluidez, la propiedad que presentan algunos líquidos a muy bajas temperaturas de fluir sin resistencia. Aplicando directamente la mecánica cuántica a los átomos que lo forman consiguió explicar importantes propiedades del helio líquido superfluido. Es curioso que el trabajo de Feynman en el campo de la superfluidez continuó y amplió el realizado por Lev Davidovich Landau quién, aunque perteneciente a una generación anterior a la de Feynman, en muchos aspectos puede considerarse su alter ego al otro lado del telón de acero.
Sería muy largo enumerar todos los otros campos de la Física en los que Feynman realizó contribuciones decisivas. Podemos recordar sus investigaciones sobre las interacciones débiles, uno de los trabajos que personalmente le resultó más gratifi cante y del que dijo que era la única ocasión en la que podía decir que había descubierto una ley de la Naturaleza. También en el campo de física de partículas elementales introdujo la idea de los “partones” como constituyentes de partículas como el protón y el neutrón. En 1959 Feynman fue invitado a dar una conferencia en la reunión anual de la American Physical Society. Su presentación, titulada There’s plenty of room at the bottom, resultó ser una visión profética de todo un nuevo campo de investigación que hoy se cuenta entre los más activos y prometedores: la nanociencia. Feynman se plantea por primera vez la cuestión de qué límites impone la estructura cuántica de la materia a la miniaturización de objetos como enciclopedias, motores o computadoras. Como anuncia en el título de su charla, encuentra que hay gran cantidad de espacio disponible e incluso describe técnicas que permitirían “aprovecharlo”. Era una visión muy adelantada a su tiempo; tendrían que transcurrir décadas para que pudiera realizarse, usando en algunos casos técnicas similares a las descritas por Feynman.
En sus últimos años Feynman se interesó por los problemas de la computación. Observó que los ordenadores existentes eran eficientes en la simulación de problemas clásicos tales como el movimiento de los planetas. Sin embargo, la simulación de sistemas cuánticos es notablemente menos eficiente, ya que se trata de simular probabilidades. Esto le llevó a argumentar que el problema radicaba en el uso de ordenadores que operaban en términos de reglas clásicas y que para optimizar la simulación de sistemas cuánticos sería necesario construir un sistema cuántico que pudiesen ser utilizado como un computador. En 1982 Feynman propuso el primer modelo teórico de un ordenador cuántico. Desde entonces la computación cuántica ha experimentado un increíble desarrollo.
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Además de por sus contribuciones científicas, Feynman es recordado como un excelente conferenciante y un profesor magistral. Sus muchas lecciones publicadas o filmadas nos lo muestran en todo su esplendor y nos permite atisbar la potencia y profundidad de su pensamiento. Resulta fascinante su forma de entender la Física en términos simples e intuitivos, desprovista de toda sofisticación matemática innecesaria, siempre fiel al principio de que poner nombre a algo no significa entenderlo. Como la gran estrella que era, Feynman se despidió con un destello de intuición y un alarde de su profundo conocimiento práctico de la Física. El 28 de enero de 1986 el transbordador espacial Challenger explotó durante la maniobra de despegue desde Cabo Cañaveral. El director de la nasa, antiguo alumno de Feynman en Caltech, invitó a éste a formar parte de la comisión de expertos que estudiaría las causas del accidente. Siguiendo en solitario sus intuiciones, como era habitual en él, identificó el fallo que había producido la catástrofe. Las bajas temperaturas en las horas anteriores al despegue del Challenger había afectado a la elasticidad de unas juntas de goma de los propulsores, lo que produjo fugas de combustible y la explosión. Feynman no solamente había resuelto el misterio, sino que en su más puro estilo añadió cierta dosis de espectáculo: durante una rueda de prensa demostró cómo el frio afectaba a la elasticidad de las juntas utilizando un vaso de agua con hielo.
Fue el último acto. Dos años después, el 15 febrero de 1988, Feynman sucumbió a un tumor abdominal que le había sido diagnosticado diez años antes. Los estudiantes de Caltech colgaron una pancarta en la biblioteca en la que podía leerse “We love you Dick”.
Richard Feynman pertenece a la que puede considerarse la “generación heróica” de la Física americana. La generación que, formada científicamente en los Estados Unidos y continuadora de los pioneros Joshua Willard Gibbs, Albert Michelson, Robert Millikan, Ernest Lawrence y J. Robert Oppenheimer, asumió el liderazgo de la Física tras la debacle de la ciencia europea provocada por el ascenso de los fascismos y la Segunda Guerra Mundial. Fue esta generación, a la que también pertenecen nombres como Julian Schwinger, John Bardeen, Robert Marshak, Jack Steinberger y Luis Walter Álvarez, la que junto a la legión de científi cos europeos que desembarcaron en los Estados Unidos en la década de 1930 creó una escuela científica hegemónica en la Física mundial hasta el día de hoy.
Desde su infancia la mente de Feynman se movió por una sola fuerza: la curiosidad. Pero esta insaciable curiosidad no se restringía al terreno de la Física, sino que le arrastraba a atacar cualquier problema que excitase su imaginación, ya fuera descifrar los jeroglíficos mayas o estudiar las mutaciones genéticas de los virus bacteriófagos. No se trataba de ser un diletante; para Feynman interesarse por un tema significaba convertirse en un auténtico experto.
La Física era la actividad en torno a la que se articulaba su vida. Su mayor diversión y afición consistía en pensar, en analizar y resolver los problemas que le planteaba la Naturaleza. La manera de hacer Física de Feynman era básicamente intuitiva. Su pensamiento no avanzaba de manera lógica de un paso al siguiente, sino que una vez planteado el problema intentaba relacionarlo con todo lo que él sabía para encontrar un punto de apoyo que le permitiese encontrar la solución. Por esto los trabajos de Feynman sorprenden siempre por esa combinación de simplicidad y genial originalidad.
Su manera muy personal de pensar tenía como consecuencia que no fuera un colaborador fácil. Esto era especialmente problemático para los estudiantes graduados que supervisaba, ya que la personalidad arrolladora de Feynman y su actitud extremadamente competitiva hacía que entrase en constante competencia con ellos, lo que no contribuía en absoluto a que el estudiante desarrollase todas sus posibilidades. Se explica así que, a diferencia de otros contemporáneos suyos como Hans Bethe, Julian Schwinger o Viktor Weisskopf, Feynman no crease una escuela a su alrededor.
Para el gran público Richard Feynman se ha convertido en el arquetipo del genio de la Física, alguien con una sorprendente capacidad intelectual al que difícimente se le resistía cualquier problema que atacase. Sin embargo para la comunidad científi ca no se trataba de un genio ordinario. La originalidad con la que Feynman pensaba, entendía la Física y abordaba los problemas es tal que a veces resulta imposible ver la línea de pensamiento que le lleva a un resultado. Por eso Feynman no era simplemente un genio, sino lo que Mark Kac llamaba un mago: un mago de la Física.
Miguel A. Vázquez-Mozo es profesor titular en el departamento de Física Fundamental de la Universidad de Salamanca.
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por CIC Network
