Samuel Goudsmit

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Samuel Abraham Goudsmit (11 de julio de 1902, La Haya – 4 de diciembre de 1978, Reno, Nevada) fue un físico teórico estadounidense nacido en Holanda. Miembro de la Academia Nacional de Ciencias (1947). Sus trabajos científicos están dedicados a la mecánica cuántica, la física atómica y nuclear y la espectroscopia. Es más conocido por su descubrimiento del espín de los electrones, en colaboración con George Uhlenbeck. Durante muchos años fue editor de revistas de la American Physical Society.

Samuel Abraham Goudsmit
Samuel Abraham Goudsmit

Educación e inicio de la carrera académica de Goudsmit

Samuel Goudsmith nació en La Haya en el seno de una familia de empresarios judíos: su padre, Isaac, era instalador de baños y su madre, Marianne Gompers, tenía una sombrerería. Samuel se interesó por la física a los once años, cuando leyó en algún sitio que los métodos espectroscópicos podían servir para determinar la composición del Sol y de otras estrellas.

Tras dejar la escuela en 1919, ingresó en la Universidad de Leiden, donde pronto fue supervisado por Paul Ehrenfest. A principios de 1920, Goudsmit acompañó a su padre en un viaje de negocios a Reutlingen y, por recomendación de Ehrenfest, visitó la vecina Tubinga, donde conoció a Friedrich Paschen, que interesó al joven en los problemas no resueltos de la espectroscopia. En el verano de 1921, Goudsmit volvió a visitar a Paschen, quien le introdujo en los detalles técnicos de la investigación espectroscópica.

Primeras publicaciones

Ya en 1921, con 19 años, Samuel Goudsmit publicó su primer artículo en la prestigiosa revista Die Naturwissenschaften, en el que intentaba dar una explicación relativista a los dobletes de los metales alcalinos. En los años siguientes continuó trabajando en las características de los espectros complejos y el efecto Zeeman, publicando varios artículos, entre ellos en coautoría con Dirk Koster y Ralf Kronig. Mientras tanto, Ehrenfest, según Goudsmit, consideraba que «no sería un verdadero teórico» y dispuso que trabajara en el laboratorio de Peter Zeeman en Ámsterdam. Allí, Goudsmit trabajó durante media semana y pasó la otra mitad en Leiden.

Leiden, 1924. Paul Ehrenfest y sus alumnos. El segundo por la izquierda es Samuel Goudsmit.
Leiden, 1924. Paul Ehrenfest y sus alumnos. El segundo por la izquierda es Samuel Goudsmit

En el verano de 1925, George Uhlenbeck, que había trabajado allí durante algunos años como profesor del hijo del embajador holandés, regresó de Roma. Ehrenfest sugirió que trabajaran juntos. El trabajo que realizaron juntos permitió a los dos jóvenes científicos aprender mucho sobre los problemas de la teoría del espectro cuántico, mientras que Goudsmit pudo analizarlos desde el punto de vista de consideraciones físicas más generales.

El resultado de esta colaboración fue el descubrimiento por Uhlenbeck y Goudsmith del espín del electrón.

Descubrimiento del espín del electrón

En octubre de 1925, Goudsmit, junto con George Uhlenbeck, introdujo el concepto de espín en la física: basándose en el análisis de los datos espectroscópicos, propusieron considerar el electrón como un «spinner giratorio» que tiene un momento mecánico intrínseco, y un momento magnético intrínseco igual al magnetón de Bohr.

A muchos físicos se les han ocurrido ideas similares, pero no se han formulado con suficiente claridad. Así, en 1921, Arthur Compton, tratando de explicar las propiedades magnéticas de la materia, sugirió la idea de un electrón que giraba «como un giroscopio en miniatura».

Más tarde, Wolfgang Pauli, en su famoso trabajo sobre el principio de inhibición, se vio obligado a atribuir al electrón «una bivalencia que no puede describirse clásicamente». A principios de 1925, Ralf Kronig sugirió que esta bivalencia podría explicarse por la rotación del electrón alrededor de su eje, pero pronto encontró serias dificultades (según los cálculos, la velocidad en la superficie del electrón debe superar la velocidad de la luz). Además, esta hipótesis se encontró con la reacción negativa de Pauli, Hendrik Kramers y Werner Heisenberg, y Kronig decidió no publicarla.

Al parecer, esta bivalencia (cuarto grado de libertad, o número cuántico, del electrón) fue también el punto de partida de los trabajos de Uhlenbeck y Goudsmit, y también decidieron relacionarla con la rotación del electrón alrededor de su eje.

Estudiaron el antiguo trabajo de Max Abraham sobre la rotación de la esfera cargada, pero pronto se encontraron con las mismas dificultades que Kronig. No obstante, comunicaron su hipótesis a Ehrenfest, a quien le gustó. Invitó a sus alumnos a escribir una breve nota para Die Naturwissenschaften y a mostrársela a Hendrik Lorenz. Lorenz realizó una serie de cálculos sobre las propiedades electromagnéticas del electrón giratorio y demostró lo absurdo de las conclusiones a las que llegaba la hipótesis. Uhlenbeck y Goudsmit pensaron que era mejor no publicar su artículo, pero era demasiado tarde: Ehrenfest ya lo había enviado a la imprenta.

Ann Arbor, alrededor de 1928. De izquierda a derecha: George Uhlenbeck, Hendrick Kramers y Samuel Goudsmit
Ann Arbor, alrededor de 1928. De izquierda a derecha: George Uhlenbeck, Hendrick Kramers y Samuel Goudsmit

La idea del espín

La aparición del artículo de Uhlenbeck y Goudsmit dio lugar a un acalorado debate sobre la hipótesis del espín en los círculos científicos. Aparte de las dificultades señaladas, a las que condujo la idea del espín del electrón, el problema del multiplicador extra-2 que aparece en la expresión de la estructura superfina del espectro del hidrógeno quedó sin resolver.

Por lo tanto, al principio la actitud ante el giro era muy escéptica. La posición decisiva fue la de Niels Bohr, que acogió con entusiasmo la aparición de la hipótesis, que abría nuevas posibilidades para la descripción del átomo. Bohr invitó a Uhlenbeck y Goudsmith a presentar de nuevo sus argumentos en un artículo para Nature y los acompañó con sus comentarios.

La exactitud de la idea del espín quedó finalmente clara en la primavera de 1926, cuando la interacción espín-órbita calculada por Llewellyn Thomas y Jacob Frenkel, teniendo en cuenta los efectos relativistas (la llamada precesión de Thomas), permitió explicar la estructura fina de los espectros (incluida la eliminación de un multiplicador adicional) y el efecto Zeeman anómalo.

La idea del espín estaba literalmente en el aire: además de los científicos ya mencionados, expresaron pensamientos similares Harold Ury (para el electrón), Schatjendranath Bose (para el fotón) y el mismo Pauli (para el núcleo atómico). Por este motivo, no es posible priorizar de forma inequívoca el descubrimiento del espín. Al parecer, ésta fue la principal razón por la que el descubrimiento del espín nunca recibió el Premio Nobel.

En 1927, cuando llegó el momento de escribir su tesis doctoral, Goudsmit ya era un especialista consolidado en espectroscopia atómica. En 1926 recibió una beca Rockefeller y pasó varios meses en el Instituto Niels Bohr de Copenhague, y volvió a visitar Tübingen, donde estudió la división de líneas espectrales en campos magnéticos fuertes con Ernst Bak (efecto Paschen-Bak). La tesis fue defendida en Leiden el 7 de julio de 1927 (el mismo día en que Uhlenbeck también se defendió a sí mismo).

Para entonces, Uhlenbeck y Goudsmit ya habían aceptado una oferta para sustituir a Oskar Klein en la Universidad de Michigan, en Ann Arbor. Ya en primavera, Ehrenfest convenció al Sr. Walter Colby, que buscaba candidatos adecuados en Europa, de que contratara a dos personas a la vez, «para que tuvieran a alguien con quien hablar».

A finales de agosto zarparon de Europa con sus esposas. Oppenheimer les recibió en el puerto de Nueva York y, tras unos días de visita, llegaron en tren a Ann Arbor a principios de septiembre. Goudsmit estaba casado con Jaantje Logher, con quien tuvo una hija, Esther, que se convirtió en bióloga. Muchos años después, en 1960, se divorciaron. La segunda esposa de Goudsmit fue Irene Bejach.

Goudsmit en la Universidad de Michigan

A pesar de la falta de reconocimiento de la Universidad de Michigan en ese entonces, en esta época se había formado allí un pequeño grupo de jóvenes teóricos con talento: además de los recién llegados Uhlenbeck y Goudsmit, trabajaban allí Otto Laporte, alumno de Arnold Sommerfeld, y David Dennison, alumno de Klein.

Pronto el acontecimiento más importante en la vida de la universidad fueron las escuelas de verano anuales: gracias a las conexiones de Uhlenbeck y Goudsmit, muchos físicos destacados (Ehrenfest, Kramers, Fermi, Pauli, Sommerfeld, Dirac, etc.) acudieron a Michigan a dictar conferencias.

En Ann Arbor, Goudsmit continuó con los temas espectroscópicos y publicó varios trabajos sobre la estructura superfina de los espectros. Junto con su estudiante de posgrado Robert Becher, desarrolló una técnica para calcular los niveles de energía de estados desconocidos de un átomo a partir de relaciones lineales entre los niveles conocidos de átomos e iones.

En 1933 publicaron una monografía en la que hicieron el primer intento de generalizar la información sobre los niveles de energía de los átomos obtenida a partir de la investigación espectroscópica. Tres años antes, se publicó un libro sobre la teoría de los espectros lineales, basado en la tesis doctoral de Goudsmit. El libro fue escrito conjuntamente con Linus Pauling, a quien Goudsmit había conocido durante una de sus visitas a Copenhague.

Goudsmit fue uno de los primeros en darse cuenta de que los datos espectroscópicos pueden utilizarse para determinar los espines y momentos magnéticos de los núcleos, y en 1933 calculó estas cantidades para los distintos elementos de la tabla periódica. Desde mediados de la década de 1930 participó en una serie de trabajos teóricos y experimentales relacionados con un nuevo problema de difusión, la dispersión de neutrones y el retardo. También estudió teóricamente la dispersión de electrones.

La Segunda Guerra Mundial – Misión Alsos

Tras el estallido de la Segunda Guerra Mundial, e incluso antes de que Estados Unidos entrara en la guerra, Goudsmit, como antifascista acérrimo, se trasladó a un puesto temporal en la Universidad de Harvard, con la esperanza de que aquí pudiera ser más útil en los asuntos militares. En 1941 se incorporó al Laboratorio de Radiación del Instituto Tecnológico de Massachusetts, donde se realizaron trabajos de radar. Participó en la coordinación de las investigaciones con los científicos británicos y se encargó de recopilar importantes informes técnicos y documentación.

En mayo de 1944, Samuel Goudsmit fue nombrado director científico de la misión secreta Alsos, cuyo objetivo era determinar hasta dónde habían llegado los científicos alemanes en el desarrollo de armas nucleares. Aunque él mismo admitió que no sabía por qué los militares le habían elegido para el trabajo, su conocimiento personal de prácticamente todos los físicos notables de Europa probablemente influyó.

Además, como Goudsmit no participó en el desarrollo de la bomba atómica estadounidense, no podía divulgar ninguna información clasificada en caso de ser hecho prisionero. La tarea de Goudsmit y su personal era visitar los laboratorios de investigación alemanes durante las primeras horas después de la liberación de los nazis y recopilar información sobre el terreno, retirando documentación y equipos.

Alemanes lejos del poder atómico

La conclusión de la misión fue que los científicos alemanes, bajo la dirección de Werner Heisenberg, estaban muy lejos de su objetivo: ni siquiera se acercaban a las condiciones críticas para el desarrollo de una reacción nuclear en cadena, mientras que en Estados Unidos el primer reactor nuclear en funcionamiento fue creado por Enrico Fermi en 1942. Samuel Goudsmit informó de los resultados de su investigación en un popular libro, Alsos, publicado en 1947 y reimpreso varias veces.

Portada de Alsos, libro de Samuel Goudsmit

Tras la liberación de La Haya, Goudsmit visitó su ciudad natal. La casa donde creció estaba en mal estado. Se enteró por los documentos de la administración nazi de que sus padres habían sido asesinados en uno de los campos de concentración. Esto fue un fuerte golpe para él.

Goudsmit participó en la identificación de una lista de científicos alemanes que fueron arrestados por su misión e internados en Farm Hall, una casa rural cerca de Londres, donde fueron retenidos durante seis meses. Durante esta época se produjeron los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki, y Heisenberg y sus colegas propusieron la tesis de que su fracaso en la construcción de la bomba atómica se debía a su oposición moral al régimen nazi. Goudsmit se opuso repetidamente a esta versión, porque poseía información suficiente para justificar las razones objetivas del fracaso del proyecto atómico nazi (la fragmentación de los científicos, los obstáculos burocráticos, la falta de materiales, etc.). Sin embargo, mantuvo su amistad con Heisenberg hasta sus últimos días y lo consideraba uno de los más grandes físicos de nuestro tiempo.

Ultimos años de Goudsmit

Tras su misión en Europa, Goudsmit aceptó una oferta de la Northwestern University, pero en 1948 se incorporó al recién creado Brookhaven National Laboratory y se trasladó a Long Island. De 1952 a 1960 fue jefe del departamento de física del laboratorio. Desde finales de la década de 1940, se dedicó principalmente a actividades administrativas y sociales, sirviendo durante un tiempo como asesor del gobierno, fue uno de los organizadores de la Federación de Científicos Atómicos y habló en defensa de Robert Oppenheimer durante sus audiencias.

En 1951, Goudsmit fue nombrado editor de la principal revista de física estadounidense Physical Review (así como de su compañera Reviews of Modern Physics) por la American Physical Society. El consejo editorial se trasladó de la Universidad de Minnesota a Brookhaven, donde sigue estando. En 1958, Goudsmit encabezó la creación de una nueva revista, Physical Review Letters, que se convirtió rápidamente en una de las publicaciones de física más prestigiosas gracias a la extraordinaria velocidad de publicación conseguida con los nuevos medios técnicos.

En 1966, ante el crecimiento de la labor editorial (Physical Review empezó a separar gradualmente las secciones por especialidad), Samuel Goudsmit se convirtió en el primer redactor jefe de toda la serie de la American Physical Society y permaneció en este puesto hasta su jubilación en 1974.

Tras su jubilación, decidió dejar Brookhaven y aceptó una invitación para convertirse en profesor emérito de la Universidad de Nevada, en Reno. Dedicó sus energías a la enseñanza. El 4 de diciembre de 1978 murió de un ataque al corazón en el campus de la Universidad.

Para más información Essay: Samuel Abraham Goudsmit (1902–1978)

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