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Isidor Isaac Rabi (29 de julio de 1898 – 11 de enero de 1988) fue un físico estadounidense que ganó el Premio Nobel de Física en 1944 por su descubrimiento de la resonancia magnética nuclear. También fue uno de los primeros científicos en los Estados Unidos en trabajar en el magnetrón de cavidad, que se utiliza en el radar de microondas y los hornos de microondas.
Infancia y educación
Isidor Isaac Rabi nació el 29 de julio de 1898 en el seno de una familia judía ortodoxa polaca en Rymanów, Galicia, que en ese momento formaba parte de Austria-Hungría, pero que ahora se encuentra en Polonia. Poco después de su nacimiento, su padre, David Rabi, emigró a los Estados Unidos. El joven Rabi y su madre, Sheindel, se unieron a David unos meses más tarde, y la familia se instaló en un apartamento de dos habitaciones en el Lower East Side de Manhattan.
En casa, la familia hablaba en yidis. Cuando Rabi fue inscrito en la escuela, Sheindel dijo que su nombre era Izzy, y un funcionario escolar, pensando que era una abreviatura de Isidor, lo registró con ese nombre. A partir de entonces, ese se convirtió en su nombre oficial. Más tarde, en respuesta al antisemitismo, comenzó a escribir su nombre como Isidor Isaac Rabi y fue conocido profesionalmente como I.I. Rabi. Para la mayoría de sus amigos y familiares, incluyendo a su hermana Gertrude, que nació en 1903, simplemente lo conocían por su apellido. En 1907, la familia se mudó a Brownsville, Brooklyn, donde tenían una tienda de comestibles.
Desde niño, Rabi mostró interés por la ciencia. Leía libros de ciencia que tomaba prestados de la biblioteca pública y construyó su propia radio. Su primer trabajo científico, sobre el diseño de un condensador de radio, se publicó en la revista Modern Electrics cuando estaba en la escuela primaria. Después de leer sobre el heliocentrismo de Copérnico, se convirtió en ateo. «Es todo muy simple», le dijo a sus padres, añadiendo: «¿Quién necesita a Dios?» Como un compromiso con sus padres, para su Bar Mitzvah, que se celebró en casa, dio un discurso en yidis sobre cómo funciona una lámpara eléctrica.
Asistió a la Manual Training High School en Brooklyn, de la cual se graduó en 1916. Más tarde ese año, ingresó a la Universidad de Cornell como estudiante de ingeniería eléctrica, pero pronto cambió a química. Después de la entrada de Estados Unidos en la Primera Guerra Mundial en 1917, se unió al Cuerpo de Entrenamiento del Ejército de Estudiantes en Cornell.
Para su tesis de licenciatura, investigó los estados de oxidación del manganeso. Se le otorgó su título de Bachelor of Science en junio de 1919, pero en ese momento, los judíos estaban en gran parte excluidos de empleos en la industria química y la academia, por lo que no recibió ninguna oferta de trabajo. Trabajó brevemente en los Laboratorios Lederle y luego como empleado contable.
Formación doctoral
En 1922, Rabi regresó a Cornell como estudiante de posgrado en química y comenzó a estudiar física. En 1923 conoció y comenzó a cortejar a Helen Newmark, una estudiante de verano en Hunter College. Para estar cerca de ella cuando regresara a casa, continuó sus estudios en la Universidad de Columbia, donde su supervisor era Albert Wills.
En junio de 1924, Rabi consiguió un trabajo como tutor a tiempo parcial en el City College de Nueva York. Wills, cuya especialidad era el magnetismo, sugirió que Rabi escribiera su tesis doctoral sobre la susceptibilidad magnética del vapor de sodio.
El tema no le resultaba atractivo a Rabi, pero después de que William Lawrence Bragg diera un seminario en Columbia sobre la susceptibilidad eléctrica de ciertos cristales llamados «sales de Tutton», Rabi decidió investigar su susceptibilidad magnética, y Wills aceptó ser su supervisor.
La medición de la resonancia magnética de los cristales implicaba, en primer lugar, el crecimiento de los cristales, un procedimiento sencillo que a menudo realizan los estudiantes de primaria. Luego, los cristales debían prepararse cortándolos hábilmente en secciones con facetas que tuvieran una orientación diferente a la estructura interna del cristal, y la respuesta a un campo magnético debía medirse con esmero.
Mientras sus cristales crecían, Rabi leyó la obra de James Clerk Maxwell de 1873 «Tratado de Electricidad y Magnetismo», que le inspiró un método más sencillo. Bajó un cristal en una fibra de vidrio unida a una balanza de torsión en una solución cuya susceptibilidad magnética podía variarse entre dos polos magnéticos. Cuando coincidía con la del cristal, el imán podía encenderse y apagarse sin perturbar el cristal.
El nuevo método no solo requería mucho menos trabajo, sino que también producía un resultado más preciso. Rabi envió su tesis, titulada «Sobre las Susceptibilidades Magnéticas Principales de los Cristales», a la revista Physical Review el 16 de julio de 1926. Se casó con Helen al día siguiente. El artículo no atrajo mucha atención en círculos académicos, aunque fue leído por Kariamanickam Srinivasa Krishnan, quien utilizó el método en sus propias investigaciones de cristales. Rabi concluyó que necesitaba promover su trabajo además de publicarlo.
Al igual que muchos otros jóvenes físicos, Rabi seguía de cerca los acontecimientos trascendentales en Europa. Quedó asombrado por el experimento de Stern-Gerlach, que lo convenció de la validez de la mecánica cuántica. Con Ralph Kronig, Francis Bitter, Mark Zemansky y otros, se propuso extender la ecuación de Schrödinger a las moléculas de forma simétrica y encontrar los estados de energía de tal sistema mecánico.
El problema era que ninguno de ellos podía resolver la ecuación resultante, una ecuación diferencial parcial de segundo orden. Rabi encontró la respuesta en «Einführung in die Theorie der Differentialgleichungen» de Ludwig Schlesinger, que describe un método desarrollado originalmente por Carl Gustav Jacob Jacobi. La ecuación tenía la forma de una ecuación hipergeométrica para la cual Jacobi había encontrado una solución. Kronig y Rabi escribieron su resultado y lo enviaron a Physical Review, que lo publicó en 1927.
Periodo en Europa
En mayo de 1927, Rabi fue nombrado Fellow en Barnard. Esto incluía una beca de $1,500 USD de la epoca para el período de septiembre de 1927 a junio de 1928. Inmediatamente solicitó un año de licencia del City College de Nueva York para estudiar en Europa. Cuando esto fue rechazado, renunció.
Al llegar a Zúrich, donde esperaba trabajar para Erwin Schrödinger, conoció a dos estadounidenses, Julius Adams Stratton y Linus Pauling. Descubrieron que Schrödinger se marchaba, ya que lo habían nombrado jefe del Instituto Teórico de la Universidad de Friedrich Wilhelm en Berlín. Rabi decidió entonces buscar un puesto con Arnold Sommerfeld en la Universidad de Múnich. En Múnich, encontró a otros dos estadounidenses, Howard Percy Robertson y Edward Condon. Sommerfeld aceptó a Rabi como investigador postdoctoral. Los físicos alemanes Rudolf Peierls y Hans Bethe también estaban trabajando con Sommerfeld en ese momento, pero los tres estadounidenses se hicieron especialmente cercanos.
Siguiendo el consejo de Wills, Rabi viajó a Leeds para la 97ª reunión anual de la British Association for the Advancement of Science, donde escuchó a Werner Heisenberg presentar un trabajo sobre mecánica cuántica. Luego, Rabi se trasladó a Copenhague, donde se ofreció como voluntario para trabajar para Niels Bohr. Bohr estaba de vacaciones, pero Rabi comenzó a calcular la susceptibilidad magnética del hidrógeno molecular. Después de que Bohr regresara en octubre, organizó que Rabi y Yoshio Nishina continuaran su trabajo con Wolfgang Pauli en la Universidad de Hamburgo.
Aunque llegó a Hamburgo para trabajar con Pauli, Rabi encontró a Otto Stern trabajando allí con dos becarios posdoctorales de habla inglesa, Ronald Fraser y John Bradshaw Taylor. Rabi pronto se hizo amigo de ellos y se interesó en sus experimentos de haces moleculares, por los cuales Stern recibiría el Premio Nobel de Física en 1943.
Su investigación involucraba campos magnéticos no uniformes, que eran difíciles de manipular y medir con precisión. Rabi ideó un método que utilizaba un campo uniforme en su lugar, con el haz molecular en un ángulo oblicuo, de modo que los átomos se desviarían como la luz a través de un prisma. Esto sería más fácil de usar y produciría resultados más precisos. Animado por Stern y con la gran ayuda de Taylor, Rabi logró que su idea funcionara.
Siguiendo el consejo de Stern, Rabi escribió una carta sobre sus resultados a Nature, que la publicó en febrero de 1929, seguida de un artículo titulado «Zur Methode der Ablenkung von Molekularstrahlen» («Sobre el método de desviación de haces moleculares») en Zeitschrift für Physik, donde se publicó en abril.
Para ese momento, la beca de Barnard había expirado, y Rabi y Helen vivían con una asignación mensual de $182 USD de la Fundación Rockefeller. Dejaron Hamburgo para Leipzig, donde Rabi esperaba trabajar con Heisenberg. En Leipzig, encontró a Robert Oppenheimer, un compañero neoyorquino. Sería el comienzo de una larga amistad.
Heisenberg partió de gira por Estados Unidos en marzo de 1929, así que Rabi y Oppenheimer decidieron ir a la ETH de Zúrich, donde Pauli era ahora el profesor de física. La educación en física de Rabi se enriqueció con los líderes en el campo que conoció allí, entre los que se incluían Paul Dirac, Walter Heitler, Fritz London, Francis Wheeler Loomis, John von Neumann, John Slater, Leó Szilárd y Eugene Wigner.
Regreso a EEUU
El 26 de marzo de 1929, Rabi recibió una oferta de una cátedra en Columbia, con un salario anual de $3,000. El decano del departamento de física de Columbia, George B. Pegram, estaba buscando un físico teórico para enseñar mecánica estadística y un curso avanzado en la nueva disciplina de la mecánica cuántica, y Heisenberg había recomendado a Rabi. Helen estaba embarazada en ese momento, por lo que Rabi necesitaba un trabajo regular, y este trabajo estaba en Nueva York. Aceptó la oferta y regresó a los Estados Unidos en agosto a bordo del SS President Roosevelt. Rabi se convirtió en el único profesor judío en Columbia en ese momento.
Rabi no era un buen instructor. Leon Lederman recordó que después de una conferencia, los estudiantes solían dirigirse a la biblioteca para intentar entender lo que Rabi había estado diciendo. Irving Kaplan calificó a Rabi y Harold Urey como «los peores profesores que tuve». Norman Ramsey consideraba que las conferencias de Rabi eran «bastante malas», mientras que William Nierenberg sentía que era «simplemente un orador terrible». A pesar de sus deficiencias como profesor, su influencia era grande. Inspiró a muchos de sus estudiantes a seguir carreras en física, y algunos se hicieron famosos.
La primera hija de Rabi, Helen Elizabeth, nació en septiembre de 1929. Una segunda niña, Margaret Joella, nació en 1934. Entre sus deberes de enseñanza y su familia, tuvo poco tiempo para la investigación y no publicó ningún artículo en su primer año en Columbia, pero de todos modos fue ascendido a profesor asistente al final de este. Se convirtió en profesor en 1937.
En 1931, Rabi regresó a los experimentos de haces de partículas. En colaboración con Gregory Breit, desarrolló la ecuación Breit-Rabi y predijo que el experimento Stern-Gerlach podría modificarse para confirmar las propiedades del núcleo atómico.
El siguiente paso era hacerlo. Con la ayuda de Victor W. Cohen, Rabi construyó un aparato de haces moleculares en Columbia. Su idea era emplear un campo magnético débil en lugar de uno fuerte, con la esperanza de detectar el espín nuclear del sodio. Cuando se llevó a cabo el experimento, se encontraron cuatro haces, de los cuales dedujeron un espín nuclear de 3⁄2.
Laboratorio de haces moleculares
El Laboratorio de Haces Moleculares de Rabi comenzó a atraer a otros, incluido Sidney Millman, un estudiante de posgrado que estudió el litio para su doctorado. Otro fue Jerrold Zacharias, quien, creyendo que el núcleo de sodio sería demasiado difícil de entender, propuso estudiar el elemento más simple, el hidrógeno. Su isótopo de deuterio se había descubierto recientemente en Columbia en 1931 por Urey, quien recibió el Premio Nobel de Química de 1934 por este trabajo.
Urey pudo proporcionarles agua pesada y deuterio gaseoso para sus experimentos. A pesar de su simplicidad, el grupo de Stern en Hamburgo había observado que el hidrógeno no se comportaba como se preveía. Urey también ayudó de otra manera: le dio a Rabi la mitad de su dinero del premio para financiar el Laboratorio de Haces Moleculares.
Otros científicos cuyas carreras comenzaron en el Laboratorio de Haces Moleculares incluyeron a Norman Ramsey, Julian Schwinger, Jerome Kellogg y Polykarp Kusch. Todos eran hombres; Rabi no creía que las mujeres pudieran ser físicas. Nunca tuvo a una mujer como estudiante de doctorado o posdoctorado y generalmente se oponía a que las mujeres fueran candidatas a puestos docentes.
Por sugerencia de C. J. Gorter, el equipo intentó usar un campo oscilante. Esto se convirtió en la base del método de la resonancia magnética nuclear. En 1937, Rabi, Kusch, Millman y Zacharias lo utilizaron para medir el momento magnético de varios compuestos de litio con haces moleculares, incluido el cloruro de litio, el fluoruro de litio y el dilitio. Aplicando el método al hidrógeno, encontraron que el momento de un protón era de 2.785±0.02 magnetones nucleares, y no de 1 como preveía la teoría de entonces, mientras que el de un deuterón era de 0.855±0.006 magnetones nucleares.
Esto proporcionó mediciones más precisas de lo que el equipo de Stern había encontrado en 1934. Dado que un deuterón está compuesto por un protón y un neutrón con espines alineados, se pudo inferir el momento magnético del neutrón restando el momento magnético del protón del del deuterón. El valor resultante no fue cero y tenía un signo opuesto al del protón. Según los curiosos hallazgos de estas mediciones más precisas, Rabi sugirió que el deuterón tenía un momento cuadrupolar eléctrico.
Este descubrimiento significó que la forma física del deuterón no era simétrica, lo que proporcionó información valiosa sobre la naturaleza de la fuerza nuclear que une los nucleones. Por la creación del método de detección de resonancia magnética en haces moleculares, Rabi recibió el Premio Nobel de Física en 1944.
Servicio durante la segunda guerra mundial
En septiembre de 1940, Rabi se convirtió en miembro del Comité Asesor Científico del Laboratorio de Investigación Balística del Ejército de los Estados Unidos. Ese mes, la Misión Tizard británica llevó una serie de nuevas tecnologías a los Estados Unidos, incluyendo un magnetrón de cavidad, un dispositivo de alta potencia que genera microondas utilizando la interacción de un flujo de electrones con un campo magnético.
Este dispositivo prometía revolucionar el radar, por lo que Alfred Lee Loomis del Comité de Investigación de Defensa Nacional decidió establecer un nuevo laboratorio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) para desarrollar esta tecnología de radar. Se eligió el nombre de Laboratorio de Radiación, ya que era discreto y un homenaje al Laboratorio de Radiación de Berkeley. Loomis reclutó a Lee DuBridge para dirigirlo.
Loomis y DuBridge reclutaron físicos para el nuevo laboratorio en una conferencia de Física Nuclear Aplicada en el MIT en octubre de 1940. Entre los que se ofrecieron como voluntarios se encontraba Rabi. Su tarea era estudiar el magnetrón, que era tan secreto que debía mantenerse en una caja fuerte.
Los científicos del Laboratorio de Radiación se propusieron producir un radar de microondas antes del 6 de enero de 1941 y tener un prototipo instalado en un Douglas A-20 Havoc en marzo. Esto se logró; los obstáculos tecnológicos se superaron gradualmente y se produjo un radar de microondas en funcionamiento en los Estados Unidos.
El magnetrón se desarrolló aún más a ambos lados del Atlántico para permitir una reducción en la longitud de onda de 150 cm a 10 cm y luego a 3 cm. El laboratorio continuó desarrollando radar aire-superficie para detectar submarinos, el radar SCR-584 para el control de fuego y LORAN, un sistema de navegación por radio a larga distancia. A instancias de Rabi, se estableció una sucursal del Laboratorio de Radiación en Columbia, con Rabi a cargo.
En 1942, Oppenheimer intentó reclutar a Rabi y Robert Bacher para trabajar en el Laboratorio de Los Álamos en un nuevo proyecto secreto. Convencieron a Oppenheimer de que su plan para un laboratorio militar no funcionaría, ya que un esfuerzo científico necesitaría ser una iniciativa civil. El plan se modificó y el nuevo laboratorio sería civil, dirigido por la Universidad de California bajo contrato del Departamento de Guerra.
Al final, Rabi aún no se trasladó al oeste, pero acordó ser consultor del Proyecto Manhattan. Rabi asistió a la prueba Trinity en julio de 1945. Los científicos que trabajaban en Trinity establecieron un fondo de apuestas sobre el rendimiento de la prueba, con predicciones que iban desde un fracaso total hasta 45 kilotones de TNT equivalente (kt). Rabi llegó tarde y encontró que la única apuesta que quedaba era de 18 kilotones, la cual compró. Con gafas de soldador, esperó el resultado junto a Ramsey y Enrico Fermi. La explosión se calificó en 18,6 kilotones, y Rabi ganó la apuesta.
Últimos años
En 1945, Rabi pronunció la Conferencia Conmemorativa Richtmyer, organizada por la Asociación Estadounidense de Profesores de Física en honor a Floyd K. Richtmyer, en la que propuso que la resonancia magnética de los átomos podría utilizarse como base para un reloj. William L. Laurence lo escribió para The New York Times, bajo el titular «‘Péndulo cósmico’ para un reloj planeado».
Poco después, Zacharias y Ramsey construyeron relojes atómicos de este tipo. Rabi continuó activamente su investigación sobre la resonancia magnética hasta aproximadamente 1960, pero siguió participando en conferencias y seminarios hasta su fallecimiento.
Rabi presidió el departamento de física de Columbia desde 1945 hasta 1949, período durante el cual albergó a dos laureados con el Premio Nobel (Rabi y Enrico Fermi) y a once futuros laureados, incluyendo siete miembros del cuerpo docente (Polykarp Kusch, Willis Lamb, Maria Goeppert-Mayer, James Rainwater, Norman Ramsey, Charles Townes y Hideki Yukawa), un científico de investigación (Aage Bohr), un profesor visitante (Hans Bethe), un estudiante de doctorado (Leon Lederman) y un estudiante de pregrado (Leon Cooper). Martin L. Perl, un estudiante de doctorado de Rabi, ganó el Premio Nobel en 1995.
Rabi ocupó el cargo de profesor Eugene Higgins de física en Columbia, pero cuando Columbia creó el cargo de profesor universitario en 1964, Rabi fue el primero en recibir dicho puesto. Esto significaba que tenía libertad para investigar o enseñar lo que eligiera. Se retiró de la enseñanza en 1967, pero siguió activo en el departamento y ostentó el título de Profesor Universitario Emérito hasta su fallecimiento. En 1985, se nombró una cátedra especial en su honor.
Un legado del Proyecto Manhattan fue la red de laboratorios nacionales, pero ninguno estaba ubicado en la costa este. Rabi y Ramsey reunieron a un grupo de universidades en el área de Nueva York para presionar por su propio laboratorio nacional. Cuando Zacharias, que ahora estaba en el MIT, se enteró de esto, formó un grupo rival en el MIT y Harvard. Rabi mantuvo conversaciones con el General Mayor Leslie R. Groves, Jr., director del Proyecto Manhattan, quien estuvo dispuesto a respaldar un nuevo laboratorio nacional, pero solo uno.
Además, se esperaba que la organización de tiempos de guerra fuera descontinuada cuando surgiera una nueva autoridad. Después de algunas negociaciones y cabildeo de Rabi y otros, los dos grupos se unieron en enero de 1946. Eventualmente, nueve universidades (Columbia, Cornell, Harvard, Johns Hopkins, MIT, Princeton, Pennsylvania, Rochester y Yale) se unieron, y el 31 de enero de 1947, se firmó un contrato con la Comisión de Energía Atómica (AEC), que había reemplazado al Proyecto Manhattan, para establecer el Laboratorio Nacional de Brookhaven.
Rabi sugirió a Edoardo Amaldi que Brookhaven podría servir de modelo para que los europeos lo emularan. Rabi veía la ciencia como una forma de inspirar y unir a una Europa que aún se estaba recuperando de la guerra. Surgió una oportunidad en 1950 cuando fue nombrado Delegado de los Estados Unidos ante la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO).
En una reunión de la UNESCO en el Palazzo Vecchio en Florencia en junio de 1950, propuso la creación de laboratorios regionales. Estos esfuerzos dieron sus frutos; en 1952, representantes de once países se unieron para crear el Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN). Rabi recibió una carta de Bohr, Heisenberg, Amaldi y otros felicitándolo por el éxito de sus esfuerzos. Enmarcó la carta y la colgó en la pared de su despacho en casa.
Fallecimiento
Rabi falleció en su hogar en Riverside Drive en Manhattan a causa del cáncer el 11 de enero de 1988. Su esposa, Helen, le sobrevivió y falleció a la edad de 102 años el 18 de junio de 2005.
En sus últimos días, le recordaron su mayor logro cuando los médicos lo examinaron utilizando la imagen por resonancia magnética, una tecnología que se desarrolló a partir de su investigación revolucionaria sobre la resonancia magnética. La máquina tenía una superficie interna reflectante, y él comentó: «Me vi a mí mismo en esa máquina… Nunca pensé que mi trabajo llegaría a esto».
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