Los Mundos de Brana

John Bardeen es uno de los mejores físicos de todos los tiempos, uno de los científicos más destacados del siglo XX. Es la única persona galardonada con dos Premio Nobel de Física y ambos concedidos por dos contribuciones estelares en la historia de la ciencia como fueron la invención del transistor y la formulación de la teoría BCS de la superconductividad.

Me resulta inexplicable y tremendamente injusto que personas como él permanezcan en el olvido, que no se dé la notoriedad que merece a alguien cuyos logros han cambiado nuestro día a día, al padre de la “era de la información”. Según la historiadora Lillian Hoddeson, autora de su biografía “True Genius”, esto se debe a que él se diferenciaba radicalmente de la imagen popular de genio. Era un hombre tranquilo, familiar y amistoso que prefería ir de picnic con su familia o trabajar tranquilamente en su oficina que hablar en público. No tenía pretensiones y le costaba la comunicación verbal. Hablaba poco y con moderación, apenas abría la boca al hacerlo. Sus estudiantes le llamaban “John el susurrador” por la forma en la que daba sus conferencias. Su personaje no resultaba atractivo para los periodistas ya que no sentía ningún interés en mostrar un comportamiento excéntrico, fuera de lo normal.

También se diferenciaba del prototipo de genio en otros sentidos. No fue autodidacta ni trabajó en soledad. Dedicó gran parte de su vida al estudio de la física hasta adquirir un legendario conocimiento enciclopédico de la misma. Aprendió de grandes de la física moderna, como Van Vleck, Wigner, Paul AM Dirac, Percy W. Bridgman, y Peter Debye, cómo reconocer y resolver los problemas que estaban suficientemente maduros y cómo encontrar el mejor equipo de teóricos y experimentalistas para estudiarlos. Sus descubrimientos no fueron fruto de inspiraciones repentinas ni de ideas felices, fueron producto de años de arduo esfuerzo en los que analizaba los diversos aspectos de un problema hasta poder comprenderlo y tratarlo en su conjunto. John Bardeen con su perseverancia, motivación, pasión, talento, confianza, resolución, capacidad de dirección y capacidad de trabajo se asemejaba a los verdaderos genios de la historia.

John Bardeen nació el 23 de mayo de 1908 en Madison (Wisconsin), en el seno de una familia intelectual que fomentaba el valor del trabajo duro, la educación y el servicio a la sociedad y la nación. Su abuelo Charles William Bardeen, que a los catorce años se había alistado como un abolicionista en la Guerra Civil, creó y consolidó la School Bulletin Publications en la que, durante cincuenta años, expresó sus puntos de vista progresistas respecto a la educación. Su padre Charles Russell Bardeen, licenciado en la primera promoción de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins, fundó y fue decano de la Facultad de Medicina de la Universidad de Wisconsin. La madre, Althea, había estudiado arte en Nueva York y Chicago y enseñó economía doméstica en el instituto progresista de la Universidad de Chicago, establecido por John Dewey. En el momento en el que conoció y se casó con Charles Russell, llevaba adelante un pequeño negocio de decoración de interiores en Chicago.

John pudo saltarse varios cursos en la escuela terminando octavo grado antes de los nueve años. A esa edad ingresó en el instituto de secundaria de la Universidad de Wisconsin, cuya filosofía progresista era similar a la de la Escuela Dewey, donde había enseñado su madre. Charles Russell, por su parte, alentaba la educación científica de su hijo planteándole problemas de matemáticas y comprando productos químicos con los que padre e hijo experimentaban en el laboratorio del sótano.

En abril de 1920, cuando John aún no había cumplido los doce, su madre murió de cáncer de mama. Por el bien de los niños el matrimonio decidió que Althea pasase sus últimos días en casa de unos amigos y John no fue consciente de la gravedad del estado de su madre. Su muerte le cogió por sorpresa y fue muy duro afrontar la adolescencia sin ella. Su padre no se veía capaz de cuidar a sus hijos pero meses después contrajo matrimonio con su secretaria Ruth Hames, a quien los niños ya conocían. Al año tuvieron otra hermana y Ruth puso orden al caos en el que se había convertido el hogar.

John terminó el instituto a los trece pero pospuso su entrada en la Universidad de Wisconsin para hacer cursos adicionales de matemáticas, ciencias y literatura en el Madison Central High School que no ofrecían en su instituto.

En la Universidad de Wisconsin se unió a algunas de las principales fraternidades y entró a formar parte de los equipos de natación y waterpolo. Se especializó en ingeniería eléctrica porque había oído que se usaban muchas matemáticas pero pronto se dio cuenta de que las matemáticas que daban le aburrían y empezó a estudiar cálculo por su cuenta. En ese periodo le entusiasmó el curso de mecánica cuántica que dio el matemático John Van Vleck durante dos semestres. Fue su primer contacto con dicha materia y le resultó tan fascinante que también se apuntó al curso de investigación que Van Vleck impartía sobre el libro “Quantum Principle and Line Spectra”. Van Vleck le animó a que considerase estudiar la carrera de física pero Bardeen no estaba todavía preparado para hacerlo. Creía que la única salida que había si estudiaba física o matemáticas era enseñar en la universidad y esto era lo último que deseaba. Sin embargo, al acabar la tesis del master sobre prospección eléctrica para el petróleo en 1929, pensó en cambiar de campo de estudio a la física y presentó una solicitud para una beca de investigación en el Trinity College de Cambridge. Pero a pesar de contar con muy buenas referencias se quedó sin ella y aceptó una plaza de profesor agregado con Edward Bennett, el jefe del departamento de ingeniería de Wisconsin. Poco después recibió una oferta para trabajar como geofísico en la compañía Gulf.

En su tercer año en Gulf, mientras reflexionaba sobre su futuro profesional, asistió, fuera de sus horas de trabajo, a un seminario de investigación en física moderna que se impartía en la Universidad de Pittsburgh. En él se plantearon los problemas que existían en la física por aquel entonces y Bardeen encontró las discusiones mucho más estimulantes que su trabajo como ingeniero. Se dio cuenta que debía cambiar la orientación de su vida.

Así que en 1933, durante la Gran Depresión, solicitó una plaza en la Universidad de Princeton que le fue concedida sin apoyo económico. Esto complicaba su voluntad de renunciar a su posición segura en Gulf. Tenía veinticinco años y la decisión era muy arriesgada. Había poco trabajo y nada le aseguraba que fuese a encontrar otro más adelante. Sin embargo, no podía seguir resistiéndose a cumplir el deseo de seguir los pasos académicos de su padre. Su madre a su edad también había asumido un gran riesgo dejando a su familia para estudiar arte en Nueva York. La noche antes de abandonar Pittsburgh acudió a una pequeña fiesta que organizaba un colega y conoció a Jane Maxwell quien, tras cinco años de noviazgo, se convertiría en su esposa. Ambos disfrutaron de cincuenta y tres años de feliz matrimonio.

Ya en Princeton, Bardeen fue el segundo estudiante de posgrado de P. Wigner, uno de los pioneros de la física teórica del Estado Sólido. Con él aprendió que debía atacar los problemas descomponiéndolos en sus partes esenciales y que un investigador debía sumergirse en la literatura de su campo de estudio. Bardeen lo hizo, se acostumbró a pasar horas y horas en la biblioteca documentándose sobre física del Estado Sólido hasta conseguir, con los años, un vasto conocimiento sobre la materia.

Cuando empezaba a escribir su tesis doctoral se enteró de que la Universidad de Harvard estaba valorando incluirle en su junta. Para conseguir su prestigiosa beca de investigación tuvo que superar una entrevista con los socios de la universidad. Desde Princenton, entretanto, temerosos de perder a Bardeen, le ofrecieron una beca en matemáticas. Pero Bardeen tenía las ideas claras, la beca de Harvard era de Física y le garantizaba ingresos económicos durante tres años. Sólo faltaba un último requisito para alcanzar su objetivo: acabar el doctorado. Debía entrar como investigador en la prestigiosa universidad con el título en mano. Pero, por el momento, la tesis tuvo que esperar. En mayo de 1935 se desplazó a Madison para acompañar a su padre que estaba muriéndose de cáncer y no fue hasta la muerte de éste que volvió a trabajar en ella. Le dedicó a la tesis días y noches pero aún así, no le fue posible terminar los cálculos durante el verano. Con todo, Harvard hizo una excepción y permitió que la completase durante el primer semestre. Recibió el doctorado en enero de 1936.

En Harvard, permaneció como becario desde 1936 hasta el 38, trabajando con el premio Nobel y físico teórico de Estado Sóido Van Vleck y con el premio Nobel y físico experimental de Estado Sólido Percy Bridgman. Este último había llevado a cabo medidas para sólidos en condiciones de alta presión, pero no lograba justificar los resultados. Fue Bardeen quien construyó una teoría semiemprírica que permitió predecirlos con exactitud. Esta colaboración en equipo con Bridgman estableció un modelo de alto rendimiento entre un teórico y un experimentalista que siempre trataría de emular en años posteriores. Situado en los alrededores de Harvard, Bardeen visitaba el MIT a menudo. Allí intercambiaba impresiones con el Jefe del departamento de Física John Slater y el doctorando de éste William Shockley. Bardeen admiraba la inteligencia, imaginación y confianza en sí mismo de Shockley. Durante el segundo semestre Shockley recibió una oferta de los Bell Telephone Laboratories, el brazo de investigación y desarrollo de la American Telephone and Telegraph Company.

Uno de los temas que fascinaron a Bardeen en Harvard fue el fenómeno de la superconductividad, descubierto por Heike Kamerlingh Onnes en 1911. Este consiste en la pérdida completa de resistencia eléctrica de ciertos metales y aleaciones cuando su temperatura es inferior a una temperatura crítica de transición. En el estado superconductor se puede conducir corriente sin pérdida de energía y originar corrientes persistentes, algo tan extraordinario para los físicos como difícil de interpretar. Pero eso no es todo, en 1933, Walther Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que los metales a una temperatura inferior a la crítica forman corrientes superficiales que crean un campo magnético que compensa el campo externo, cancelándolo. Se sucedían las teorías propuestas para explicar el comportamiento de los superconductores pero todas ellas fracasaban.

Mientras tanto, Bardeen se casó con Jane Maxwell en junio de 1938, poco después de que el Departamento de Física de la Universidad de Minnesota le ofreciese su primer puesto docente. Un año más tarde nació su hijo James Maxwell Bardeen. En el nacimiento de su segundo hijo William Allan Bardeen en 1941, la familia se había trasladado a Washington DC para servir al país en el laboratorio de investigación de la Marina. Allí, Bardeen, pronto se sintió a disgusto. El trabajo de ingeniería militar le desviaba de su investigación en física y la burocracia resultaba inflexible y caótica. Tan pronto como terminó la guerra, regresó a la física fundamental y tuvo lugar un hecho decisivo.

Bardeen fue contratado para trabajar en la división de investigación de física de Estado Sólido de los Laboratorios Bell que había creado su vicepresidente ejecutivo Mervin Kelly. El grupo, encabezado por Shockley, contaba también con dos físicos experimentales, Walter Brattain y Gerald Pearson, un químico, Robert Gibney, y un experto en circuitos, Hilbert Moore. El objetivo, estipulado por Kelly, consistía en “obtener nuevos conocimientos que pudiesen ser usados en el desarrollo de componentes totalmente nuevos y mejores para sistemas de comunicaciones.”

Uno de los retos que abordaron y que condujo al descubrimiento del transistor, fue la búsqueda de un sustituto para los amplificadores basados en válvulas termoiónicas que se empleaban en muchos aparatos. Estos componentes tenían un tamaño considerable, eran muy delicados y su consumo era elevado. Para encontrar un dispositivo de estado sólido que hiciese sus funciones emplearon los semiconductores que mejor conocían y podían fabricar: el silicio y el germanio. En esta línea, Shockley, seis meses antes de incorporarse Bardeen, había diseñado un amplificador basado en silicio que no había logrado hacer funcionar, así que le pidió a Bardeen que encontrase el motivo del fracaso. Obtuvo la respuesta cinco meses después gracias al desarrollo de una teoría sobre los estados de la superficie de un sólido. Los electrones del dispositivo de Shocley quedaban confinados en las superficies de los materiales que lo constituían.

Durante las investigaciones que llevaron al deseado invento, Bardeen y Brattain formaban el equipo perfecto, Bardeen era «el cerebro» y Brattain «las manos». Ambos probaron diversos electrolitos y posibles configuraciones hasta que, finalmente, durante el conocido como “Mes milagroso” de 1947, lograron amplificar la corriente eléctrica de forma controlada y reproducible. El objetivo se había cumplido, el transistor de punta de contacto ya era una realidad. Bardeen, al llegar a casa por la noche le susurró a su esposa un escueto «Descubrimos algo hoy». Nunca hasta entonces le había hecho ningún comentario sobre el trabajo así que Jane supo que había sido un día especial.

El dispositivo estaba compuesto de dos púas de metal (oro) que presionaban sobre la superficie de material semiconductor (germanio) en posiciones muy próximas entre sí. Su fecha de nacimiento suele datarse el 23 de diciembre, día en el que Brattain y H. R. Moore, hicieron una demostración del transistor a sus colegas de los Laboratorios Bell. Shockely no había intervenido en el invento pero supo sacar partido de su posición como líder del grupo. A diferencia de Bardeen, intuyendo la relevancia del hallazgo, decidió apartar a Bardeen y a Brattain de la investigación y desarrolló por su cuenta el transistor de unión con la geometría que se conoce en la actualidad. Esto provocó un gran malestar entre los científicos. Brattain fue asignado a otro grupo y Bardeen abandonó los Laboratorios Bell en 1951 para ocupar un puesto de profesor de Física en la Universidad de Illinois donde permaneció hasta su jubilación.

Una vez instalado en la universidad, se sumergió de lleno en el problema de la superconductividad buscando teorías que pudiesen describir las interacciones entre los electrones en los superconductores. Para hacerlo invitó a su alumno graduado Bohm David Pines a trabajar con él y ambos desarrollaron un formalismo para tratar el acoplamiento de los electrones a las vibraciones de la red. Determinaron que en los casos en que la transferencia de energía era pequeña, los electrones vencían la repulsión coulombiana y se atraían entre ellos. Tras aquello Bardeen se dedicó a examinar toda la obra existente sobre superconductividad y elaboró un artículo extenso y completo sobre el tema que se publicó en 1956 en el Handbuch der Physik.

Entretanto, en 1953, J. Robert Schrieffer, se unió al programa de física de posgrado de Illinois eligiendo como asesor de tesis a Bardeen y como tema la superconductividad. Pines, por su parte, aceptó un puesto de profesor en Princenton y Bardeen invitó al joven teórico Leon Cooper a unirse al equipo. A finales de 1955, Cooper mostró que las interacciones con la red cristalina podían hacer que electrones con espines opuestos se combinasen para formar fuertes pares correlacionados cuyo movimiento podía explicar la forma en la que los electrones fluían sin resistencia en un superconductor. Los pares de Cooper se formaban a bajas temperaturas. Añadiéndoles energía se rompían y el material volvía a presentar un estado normal no-superconductor.

En 1956, en pleno estudio de la superconductividad, Bardeen se vio sorprendido por la concesión del Premio Nobel de Física, junto a Brattain y Shockley “por sus investigaciones sobre los semiconductores y el descubrimiento del efecto transistor”. Tuvo dudas acerca de la conveniencia de viajar a Estocolmo a recoger el Premio. Por un lado, no quería dejar colgado el trabajo que estaba haciendo con Cooper y Schrieffer y, por el otro, no estaba muy seguro de que el transistor fuese un invento merecedor de un Nobel. Le avergonzaba ser premiado antes de que lo fuesen científicos tan brillantes como sus profesores Wigner y Van Vleck. Finalmente asistió a la ceremonia y, durante la misma, el rey Gustavo VI Adolfo de Suecia le preguntó a por su familia. Bardeen le respondió que dos de sus hijos no habían podido asistir porque no quería que interrumpiesen sus estudios en la Universidad de Harvard por algo así y el rey, asombrado, le hizo prometer que si volvían a coincidir traería a toda su familia. No imaginaba el científico que tendría que cumplir dicha promesa.

Poco después de su regreso de Estocolmo, Schrieffer dio un paso definitivo. Mientras iba en el metro de Nueva Jersey, de camino a una reunión anual de la APS, pensó que el conjunto de pares de Cooper del semiconductor en su estado fundamental, podían describirse con una única función de onda que garabateó allí mismo. Más tarde, al mostrársela a Bardeen, iniciaron un periodo de trabajo febril en el que emplearon la función de onda para calcular todas las cantidades experimentales pertinentes. Todo cuadraba, Bardeen, Cooper y Scrieffer se dieron cuenta de que habían resuelto el problema que llevaba cuatro décadas dejando perplejos a los mejores físicos del mundo.

En abril de ese año, Bardeen, Cooper y Schieffer publicaron un pequeño artículo en Physical Review titulado “Teoría microscópica de la Superconductividad” y, en julio de 1957, presentaron el informe completo de los resultados bajo el título “Teoría de la Superconductividad” a la misma revista que lo publicó en diciembre.

En 1965, el presidente Lyndon Johnson le entregó la Medalla Nacional de la Ciencia, el premio más alto de la nación para el logro científico. Pero Bardeen pensaba en otro reconocimiento. Temía que la Academia Sueca de Ciencias mantuviese la tradición de no otorgar a una persona dos Premio Nobel en el mismo campo y que Schrieffer y Cooper se quedasen sin un honor muy merecido. Afortunadamente, dicha recompensa llegó en 1972. El Comité Nobel rompió precedentes y otorgó el Premio Nobel de Física a los tres investigadores “por su desarrollo de la teoría de la superconductividad, conocida como teoría BCS”. Gran parte del dinero que consiguió Bardeen con el galardón, lo donó a organizaciones destinadas al avance de la ciencia. También tuvo que cumplir con la promesa que le había hecho al rey y llevó a todos sus hijos a la ceremonia de entrega.

Durante su estancia en Illinois, Bardeen, tratando de asumir la responsabilidad social que implicaba su posición como científico, formó parte de algunos grupos consultivos nacionales como la Oficina de Investigación Naval (ONR) o el Comité Asesor de Ciencia del Presidente (PSAC), desde 1959 hasta 1962 con Dwight D. Eisenhower y después John F. Kennedy. En 1968, fue elegido presidente de la Sociedad Americana de Física (APS), un honor que, sin poder sospecharlo, le condujo a afrontar una difícil situación. La sociedad tenía que celebrar su reunión anual en Chicago en 1970 y, debido a la brutalidad de las acciones policiales durante la protesta contra la guerra de Vietnam, un número importante de sociedades profesionales decidieron cancelar sus reuniones. Muchos de los miembros de la APS querían hacer lo mismo, mientras que otros, en cambio, creían que la cancelación implicaba usar la APS para fines que, aun siendo importantes, no concernían a los objetivos para los que se había constituido la sociedad. Bardeem tuvo que mediar en el conflicto y adoptó una posición neutral. Intentó que quienes defendían la reubicación de la reunión comprendiesen que a aquellas alturas ya no era posible encontrar otro emplazamiento para 10000 personas. Cuando acabó su mandato como presidente, sintió verdadero alivio. En 1981, fue invitado a servir en el Consejo Científico de la Casa Blanca del Presidente Ronald Reagan (WHSC). En un principio se resistió porque era contrario a la política irresponsable y militarista del presidente pero su amigo Charles Slichter acabó convenciéndole. Como miembro del consejo apoyó la fundación de centros de investigación multidisciplinar y expuso la necesidad de incrementar el desarrollo tecnológico a largo plazo y evitar que la urgencia por obtener beneficios rápidos arruinase interesantes proyectos de futuro. En su primer año, pese a que la Casa Blanca no respaldó todas sus iniciativas, quedó satisfecho de la labor que había desarrollado. Pero la situación cambió radicalmente cuando Reagan y Keyworth pusieron en marcha el programa de defensa antimisiles o Iniciativa de Defensa Estratégica (SDI) (conocido popularmente, como Star Wars), al que Bardeen se opuso desde el principio. No se limitó a dimitir del Consejo sino que redactó diversos artículos en los que expuso los peligros que conllevaba el programa.

Menos de dos años después de la concesión del segundo Nobel, Bardeen se retiró de la enseñanza pero continuó investigando como profesor emérito. Su capacidad intelectual y su agilidad mental no se vieron mermadas con el paso de los años. A los setenta, el premio Nobel se volcó en el estudio de una nueva teoría de la mecánica cuántica que interpretase el comportamiento de los electrones en las ondas de densidad de carga. Estas ondas se producen en ciertos metales, cuando los electrones forman patrones cristalinos que se mueven al unísono y responden de manera característica a los voltajes aplicados. Bardeen creía que se trataba de un fenómeno cuántico colectivo cuyo elemento esencial era el efecto túnel cuántico pero muchos físicos se mostraron reticentes. La oposición de sus colegas produjo un gran desasosiego en el físico que estaba convencido de la veracidad de la teoría. Sólo la amistad de Holonyak y los partidos de golf paliaron, en parte, esta amargura.

A finales de la década de 1980 su salud ya estaba muy deteriorada. Padecía gota en las piernas y degeneración macular. Sin embargo, eso no impidió que en 1987, tras el descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura, se lanzase a la búsqueda de una teoría que dilucidase el fenómeno. En diciembre de 1990 publicó su último artículo, sobre las ondas de densidad de carga, en el Physics Today. El cáncer se había extendido y la cirugía estaba descartada. Ni siquiera hubo tiempo de administrarle radiación. Murió de un ataque al corazón el 30 de enero de 1991. Sus restos, junto a los de Jane, descansan en el Forest Hill Cementery de Madison, Wisconsin. Su hijo William diseñó una sola lápida de piedra en la que los nombres de sus padres se acompañan de símbolos que reflejan sus intereses, el mundo natural, los dos Premios Nobel.

EN LA BUHARDILLA 2.0

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