La última entrega de la serie sobre los Premios Nobelestuvo dedicada a Johannes Diderik van der Waals, ganador del Nobel de Física de 1910 por su trabajo en la ecuación de estado que lleva su nombre. Allí fuimos testigos de una de las tendencias que me parecen fundamentales en el cambio de siglo XIX-XX, y pido disculpas si soy pesado al repetirlo: el desdibujar de líneas entre cosas que se habían considerado muy diferentes anteriormente. Lo mismo nos había sucedido al hablar de algún Nobel de Química anterior al de hoy, con la diferencia entre lo vivo y lo no vivo; hoy volveremos a ver la misma tendencia al hablar del Nobel de Química de 1910, otorgado al alemán Otto Wallach, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

En reconocimiento a sus servicios a la química orgánica y la industria química por su trabajo pionero en el campo de los compuestos alicíclicos.

Sé que la descripción del Premio no resulta fascinante –y que me perdonen los químicos orgánicos–, y no será éste uno de los artículos más largos de la serie. Sin embargo, intentaré por una parte que cuando termines de leer tengas una idea de qué son los terpenos –el tipo de compuestos alicíclicos en los que trabajó fundamentalmente Wallach– y por qué son importantes biológica e industrialmente, y por otra soltar un par de opiniones personales relacionadas con esto y con el momento que estamos viviendo (como siempre, cuando vaya a dar mi opinión avisaré, para que puedas tratarla como lo que es: la diatriba de un bocazas).

Como siempre repito en esta mitad de la serie, yo no soy químico, de modo que corregidme sin piedad cuando meta la pata, sobre todo con los nombres, porque mis fuentes suelen estar en inglés (mis libros de química lo están, y si tengo que consultar Wikipedia intento evitar la versión en español porque en inglés es muchísimo más completa), con lo que aunque intento traducir bien los nombres de compuestos, a veces meto cada anglicismo que tira para atrás.

Dicho esto, conozcamos a los terpenos y a su “padre”, el barbudo Otto Wallach.

Desde tiempo inmemorial se habían conocido unas sustancias oleosas generalmente llamadas aceites esenciales (el vago nombre te dice ya lo poco que se sabía sobre su naturaleza). Desde luego, la definición no era rigurosa, pero solían tener unas características similares: eran comúnmente volátiles y como consecuencia de fuerte olor –a veces agradable, a veces terrible– y provenían de distintas especies vegetales. Algunos eran empleados con fines medicinales, otros simplemente por el olor, y otros por sus propiedades químicas.

De todos estos aceites, el más conocido de todos era el aguarrás o aceite de trementina. El nombre de trementina proviene del griego terebinthine, un árbol que en castellano llamamos cornicabra pero cuyo nombre científico es Pistacia terebinthus (y que está, por cierto, relacionado con el árbol del que vienen los pistachos). Los antiguos griegos destilaban la resina de ese árbol para obtener un aceite volátil muy útil como disolvente (seguro que lo conoces como disolvente de pintura, por ejemplo): la trementina. Posteriormente se obtuvo trementina también de la resina de otros árboles y creo que hoy en día no es siquiera el mismo compuesto químico aunque se siga llamando así, porque se obtiene del petróleo. Cuento esto del nombre de la trementina porque, como veremos luego, es relevante. El caso es que, si has olido resina de pino alguna vez, se trata de uno de estos aceites esenciales (luego veremos de qué está hecha exactamente la resina).

Resina de pino (Meanos/CC 3.0 Attribution-Sharealike License).

Sin embargo, aunque se utilizaban muchos de estos aceites esenciales de intenso olor por su naturaleza volátil, su composición química era un misterio. Había varios problemas: en primer lugar, durante mucho tiempo la química orgánica ni siquiera se consideró una opción. Como hemos dicho alguna otra vez en la serie, las sustancias provenientes de los seres vivos se consideraban completamente diferentes de las sustancias inorgánicas, con reglas distintas y en muchos casos no sometidos a reglas — el “milagro de la vida” y esas cosas.

En segundo lugar, una vez la química orgánica empezó a despegar en el XIX, estos compuestos eran endiabladamente difíciles de estudiar por su inestabilidad. No sólo eran muy volátiles –como digo, por eso huelen tanto– sino que además reaccionaban con muchas sustancias cotidianas y cambiaban su composición con bastante facilidad. Y, para rizar el rizo, el misterio principal: muchos de estos compuestos tenían carbono e hidrógeno en exactamente las mismas proporciones. No sólo eso, sino que muchos tenían el mismo número de átomos de cada uno –es decir, la misma fórmula empírica– pero situados de diferentes maneras.

De modo que, durante décadas, aunque existían en los laboratorios, estos compuestos fueron en su mayor parte ignorados por los químicos teóricos. Así estaban las cosas, de hecho, cuando Otto Wallach entra en escena.

Otto Wallach (1847-1931).

Wallach era ya un químico orgánico de nivel. Se había doctorado en la Universidad de Göttingen con una tesis sobre los isómeros del tolueno, había trabajado nada más y nada menos que con Friedrich August Kekulé, uno de los químicos más importantes de la segunda mitad del siglo XIX, y había obtenido una cátedra en la Universidad de Bonn. Allí estaba hacia 1880, trabajando precisamente con Kekulé, que en ciertos aspectos parece haber sido su mentor, cuando Kekulé le señaló un armario que guardaba botellas casi olvidadas con diferentes aceites esenciales.

Imagino a Wallach, que por entonces tenía unos treinta y tres años, abriendo el viejo armario y echando un vistazo a las botellas cubiertas de polvo llenas de esos malditos aceites volátiles, docenas de ellos, que habían sido descartados como objeto de investigación por tantos químicos antes que él. No era un asunto, como sucede otras veces en la génesis de un Nobel, que constituyera un enorme misterio al que todos dedican atención: se me ocurren pocos campos de investigación en un principio tan poco atractivos.

Sin embargo, Wallach aceptó el desafío y empezó a experimentar.

Al hacerlo, obligando a estos compuestos a reaccionar con cloruro y bromuro de hidrógeno entre otros reactivos, Wallach se dio cuenta de que era en primer lugar posible clasificar estos compuestos según su fórmula empírica, es decir, según el número de átomos de cada tipo que los constituían. Como decíamos antes, muchos de ellos tenían las mismas proporciones de carbono y oxígeno, pero no la misma cantidad. Por ejemplo, un grupo de ellos tenía la fórmula empírica C₁₀H₁₆, mientras que otro grupo tenía C₁₅H₂₄. Como ves, la misma proporción, pero en el segundo caso había 1,5 veces el número de átomos que en el primero. Otro grupo, por el contrario, era de fórmula C₂₀H₃₂, justo el doble que el primero que hemos mencionado pero, una vez más, en la misma proporción.

De modo que estaba bastante claro que todos ellos estaban formados por una especie de “unidad básica” que se repetía un número determinado de veces. Sin embargo, como puedes ver al comparar C₁₀H₁₆ con C₁₅H₂₄, esa unidad básica debe ser aún menor que el primero: debe ser C₅H₈.

Todos estos compuestos, que hoy denominamos terpenos por el nombre alemán del aguarrás, terpentin, eran por lo tanto una especie de construcciones de Lego formadas por un número determinado de “piezas” C₅H₈, a veces complicadas por la adición de algún grupo funcional determinado.

Isopreno (Brools/CC 3.0 Attribution-Sharealike License).

Esa unidad básica es el isopreno, o más técnicamente, 2-metil-1,3-butadieno, formado naturalmente por cinco átomos de carbono y ocho de hidrógeno. El isopreno, por cierto, está por todas partes, no sólo en los terpenos. Parece ser una “pieza de Lego” muy versátil y utilizada en muchos sistemas biológicos. Aunque por sí solo, en piezas “sueltas” es un líquido incoloro muy volátil, puede formar polímeros muy largos y estables. Puedo asegurarte que lo has tocado alguna vez en su forma polimerizada, porque la goma de borrar no es otra cosa que isopreno polimerizado y hemos hablado de él por esa razón en El Tamiz hace bastante tiempo.

Sin embargo, los polímeros de isopreno que Wallach fue clasificando no tenían tantos eslabones de isopreno. Los formados por un solo isopreno se denominan hemiterpenos, pero claro, sólo hay uno, el propio isopreno, porque pocas combinaciones se pueden hacer con uno solo. Sin embargo, cuando se añaden otros eslabones de isopreno, pueden lograrse moléculas con una geometría realmente complicada: el isopreno puede unirse a sí mismo y la molécula convertirse en un anillo (una molécula cíclica) o no hacerlo, de modo que se tiene simplemente una cadena larga (una molécula lineal).

Así, con dos isoprenos se tienen los denominados monoterpenos, cuya fórmula empírica es C₁₀H₁₆. Pero claro, como tantas veces en química orgánica, la fórmula empírica dice muy poco: la geometría y dónde están los enlaces determinan las propiedades de la sustancia. De hecho, Wallach comprobó que el aguarrás no era sino una mezcla de monoterpenos, fundamentalmente alfa-pineno y beta-pineno, los dos isómeros del pineno (formado, claro está, por dos isoprenos).

Y es que la resina del pino es, en su mayor parte, una mezcla de monoterpenos (una vez más, fundamentalmente pineno, que se llama así por el pino). Pero seguro que has oído alguna vez el nombre de otros compuestos que son derivados de monoterpenos; al ser derivados de un terpeno se los denomina terpenoides, pues tienen algún otro grupo funcional. Algunos monoterpenoides muy conocidos son el mentol, el eucaliptol o el alcanfor.

Los terpenos de tres isoprenos se llaman sesquiterpenos (son los de fórmula empírica C₁₅H₂₄), y los de cuatro isoprenos diterpenos. El diterpenoide –derivado de un diterpeno– más famoso es seguramente el retinol, una forma de vitamina A. Pero también hay terpenos con más unidades de isopreno que seguro que conoces; por ejemplo, el licopeno del tomate es un tetraterpeno, es decir, un terpeno de ocho isoprenos, como también lo son los carotenos. Finalmente, como dijimos antes, el caucho natural es un politerpeno, un terpeno de muchas unidades de isopreno.

No voy a seguir nombrando terpenos, no te preocupes: mi intención es mostar la importancia del descubrimiento y análisis de Wallach. El alemán identificó una unidad básica de construcción de multitud de compuestos orgánicos, muchos de ellos esenciales para la vida. Además, nos libró del término “aceite esencial” con una definición nada rigurosa para dar una mucho más concreta: compuestos formados por una o más unidades de isopreno.

Entre otras cosas, Wallach pudo identificar cuántas unidades de isopreno había en multitud de aceites esenciales; tras su trabajo, en vez de haber docenas y docenas de nombres inconexos, normalmente nombres de plantas, la lista se redujo muchísimo, ya que muchos de esos aceites no eran más que una mezcla de varios terpenos que él pudo identificar sin problemas. Un campo que antes era caótico, borroso y muy confuso se convirtió en algo asequible y racional. Tras el paso de Wallach fue posible no sólo analizar terpenos, sino manipularlos y hacerlos reaccionar para conseguir moléculas concretas: el alemán no sólo nos había hecho comprender las cosas y entender aspectos biológicos, sino que había abierto la puerta a la industria química de los terpenos en particular y los compuestos alicíclicos en general.

Aquí es donde te aviso: este párrafo va a ser un sermón de opinión personal. No voy a repetir “en mi opinión” en cada frase porque todo el párrafo lo es. En una época en la que, desgraciadamente, las patentes de software están a la orden del día, Otto Wallach –como lo hizo Wilhelm Röntgen– nos sirve como un ejemplo del pasado que sigue siendo relevante. A lo largo de sus investigaciones en el laboratorio, Wallach descubrió multitud de procesos con los que obtener compuestos concretos; procesos muy útiles para el desarrollo de la industria química de la época y, por lo tanto, muy valiosos. Y el alemán no patentó absolutamente ninguno de ellos, sino que los dejó libres de forma gratuita para que cualquiera pudiera beneficiarse de ellos, haciendo así avanzar la química de principios del siglo XX de una manera imposible de otro modo.

El caso es que en 1909, un año antes de recibir el Nobel, Wallach publicó un tocho de 600 páginas titulado Terpene und Campher (Terpeno y alcanfor) que se convertiría en la Biblia de sus alumnos. Y esos alumnos, que habían trabajado con él en el laboratorio realizando los experimentos necesarios para identificar y modificar todos esos compuestos, una vez salidos de la Universidad se convirtieron en otro enorme impulso para la industria química alemana relacionada con este asunto. En poco más de una década la cantidad de aceites esenciales producidos en Alemania se cuadruplicó, en gran parte gracias al trabajo de Wallach.

El alemán no fue un brillante teórico, ni descubrió secretos del Universo que revolucionasen nuestra visión del mundo. Sin embargo, era un experimentador meticuloso y perseverante, y logró solventar los obstáculos –como la reactividad y volatilidad de estos compuestos– que otros antes que él habían sido incapaces de superar. No sólo consiguió desvelarnos la naturaleza de multitud de sustancias a nuestro alrededor e incluso en nuestro organismo, sino que impulsó nuestra industria química a un ritmo impresionante. Por eso hemos decidido concederle el más alto honor que nuestra Academia pued… ¡ah, no, que yo no otorgo el Nobel! Mejor cedo la palabra al Profesor Montelius, que el diez de diciembre de 1910 anunció:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, Damas y Caballeros.

En la reunión del 12 de noviembre, la Real Academia Sueca de las Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Química de este año al Geheimrat [un título del Sacro Imperio Romano Germánico, algo así como consejero] Otto Wallach, catedrático de la Universidad de Göttingen, por los servicios que ha proporcionado en el desarrollo de la química orgánica y la industria química con su trabajo pionero en el campo de los compuestos alicíclicos.

Como es bien conocido, las plantas contienen compuestos de olor más o menos fuerte, que desempeñan un importante papel en sus funciones vitales y particularmente en su fecundación. Estos compuestos fueron siempre agrupados, desde tiempo antiguo, bajo el nombre de “aceites esenciales” a causa de su volatilidad. Desde muy pronto se aislaron a partir de estos aceites esenciales ciertos hidrocarburos, denominados terpenos porque el aguarrás [aceite de trementina, en alemán terpentin] está formado por una mezcla de estos hidrocarburos.

Estos hidrocarburos ocupaban una posición especial en cuanto al aspecto químico en comparación con otros. Todos tenían la misma composición centesimal y casi todos tenían incluso el mismo peso atómico [hoy en día, masa atómica], alcanzaban el punto de ebullición más o menos a la misma temperatura; sin embargo, mostraban ciertas diferencias en el olor, las propiedades ópticas y las reacciones químicas, de modo que no podían considerarse la misma sustancia. A lo largo del tiempo se han descrito casi un centenar de estos terpenos en la literatura química y normalmente se les ha dado el nombre a partir de la planta de la que fueron aislados. Por su inestabilidad, eran particularmente difíciles de manejar y la teoría química no podía acomodar tan enorme cantidad de isómeros; por tanto, un estudio profundo de este campo parecía prácticamente imposible.

En esas circunstancias, el hecho de que este campo antes tan misterioso se nos presente ahora tan claramente en los aspectos teórico y experimental debe considerarse uno de los mayores triunfos de las ciencias químicas en los últimos años. El honor pertenece, principalmente, a Otto Wallach, quien no sólo fue un pionero de este campo desde sus comienzos sino que además ha continuado, a lo largo del tiempo, a liderarlo en cierta medida.

Wallach empezó a trabajar en este campo en 1884. Tras seis años, compiló los resultados obtenidos hasta entonces en una publicación. Había logrado encontrar métodos de caracterizar de manera distintiva los diversos terpenos, de modo que era posible reconocerlos en mezclas y separar unos de otros en esas mezclas. Con estos métodos había sido también capaz de reducir el número de los terpenos conocidos hasta entonces a un número sorprendentemente bajo –ocho– al que se añadieron posteriormente unos pocos más descubiertos desde ese momento. Además, logró demostrar que los compuestos terpenoides sufren cambios muy fácilmente al ponerse en contacto con los reactivos más comunes y se transforman de unos en otros, lo que hace especialmente difícil y delicada la investigación en el campo de la química de los terpenos. Al investigar tantos compuestos como le fue posible, consiguió determinar qué condiciones excluían la isomerización; también desarrolló la técnica general para realizar estas investigaciones.

A través de este trabajo pionero, Wallach abrió un nuevo campo de investigación, que podía ser desarrollado a partir de entonces con esperanzas de éxito. Y es cierto que este campo fue inmediatamente atacado por un gran número de investigadores de distintos países. Durante la década siguiente, la química orgánica se caracterizó por el estudio de los así llamados compuestos alicíclicos, de los que los terpenos y el alcanfor y sus compuestos derivados constituyen la parte más importante.

El propio Wallach, superando dificultades considerables con un éxito admirable gracias a su perseverancia, realizó progresos continuos en el campo que él mismo había abierto. Logró preparar un número extraordinario de compuestos nuevos y determinó su estructura. Además de los terpenos propiamente dichos, también investigó y caracterizó científicamente diversos productos naturales ya conocidos o descubiertos recientemente, como alcoholes, cetonas, sesquiterpenos y politerpenos que pertenecen al grupo de los terpenos, y que tienen gran importancia por razones biológicas y técnicas. Por esta razón la serie de los compuestos alicíclicos ha ganado, desde los años ochenta, un tamaño e importancia que la convierten en un igual de las otras tres series principales de la química orgánica. Wallach ha contribuido más a este hecho que cualquier otro investigador.

Las investigaciones que Wallach no sólo influenciaron decisivamente la química teórica, sino también la industria química, principalmente por la rama de esa industria que procesa los aceites esenciales. De acuerdo con las estadísticas recientemente publicadas, la producción anual de estos preparados únicamente en Alemania ha crecido desde los 12 millones de marcos en 1885 hasta unos 45-50 millones de marcos. El trabajo científico de Wallach ha contribuido a esto directa e indirectamente — directamente al convertir los terpenos y sus derivados en algo conocido y determinable analíticamente, con lo que la tecnología dispone de nuevos métodos de manufactura y es posible evitar las adulteraciones que antes sucedían tan comúnmente; e indirectamente por el hecho de que un gran número de sus alumnos han sido contratados por esa industria y aplicado sus métodos de trabajo y su preciso modo de realizar investigaciones. El propio Wallach nunca ha patentado sus descubrimientos, sino que siempre ha puesto sus conclusiones a la disposición de la industria de manera gratuita.

La Real Academia Sueca de las Ciencias ha querido rendir tributo a este trabajo, que desde el principio ha sido planeado cuidadosamente, ejecutado con gran habilidad y una enorme energía, y se ha convertido a lo largo del tiempo en algo cada vez más profundo y rico, mediante el que la ciencia ha conquistado nuevos campos y se ha logrado un trabajo pionero en el desarrollo de la industria química, otorgando el Premio Nobel de Química del año 1910 al Doctor Otto Wallach.

Profesor Wallach. La Real Academia Sueca de las Ciencias le ha concedido el Premio Nobel de Química de este año en reconocimiento a los importantes servicios que ha proporcionado usted al desarrollo de la química orgánica y de la industria química mediante su trabajo pionero en el campo de los compuestos alicíclicos.

Se ha demostrado una vez más que los resultados obtenidos mediante la investigación científica, que en un principio parecerían ser tan sólo de interés teórico, pueden tener en realidad una importancia práctica enorme.

Puesto que usted nos ha llevado a un campo esencial en la química orgánica que era antes prácticamente desconocido, recibirá usted el Premio Nobel, el mayor honor que nuestra Academia puede conceder.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Química de 1910
• Otto Wallach / Otto Wallach
• Terpenos / Terpenes

Por su trabajo en la ecuación de estado para gases y líquidos.

Como suele suceder, esta breve descripción no basta para comprender el alcance de las investigaciones de van der Waals, de modo que tengo que hacer lo de siempre: pedirte paciencia para retroceder en el tiempo antes de llegar al héroe del artículo de hoy. Se trata, por cierto, de un héroe inusual; lo habitual en Física es que los descubrimientos teóricos suelan ser realizados por científicos jóvenes, y que una vez pasada cierta edad los avances del científico (si los hay) sean de carácter experimental. No es el caso de hoy, pero tiempo al tiempo…

Antes de que la Termodinámica adquiriese todo el aparato teórico que la propulsó como ciencia “de verdad” en el siglo XIX, diversos científicos habían obtenido ya leyes y ecuaciones de carácter empírico que predecían el comportamiento de sistemas termodinámicos simples en condiciones muy específicas. Durante los siglos XVII y XVIII, científicos como Robert Boyle, Edme Mariotte, Jacques Charles y otros habían logrado un buen puñado de leyes de este tipo, muchas de las cuales hemos estudiado en el bloque [Termodinámica I].

Naturalmente, la ciencia es siempre empírica en último término, pero según madura una ciencia obtiene principios más profundos y básicos de los que deducir un gran número de comportamientos; en otras palabras, de un puñado de ecuaciones desconectadas se obtiene una teoría, algo a lo que aún no había llegado la Termodinámica. Por ejemplo, tanto Robert Boyle como Edme Mariotte llegaron a la misma conclusión tras diversos experimentos con gases: si la temperatura se mantenía constante, al aumentar la presión sobre el gas éste disminuía su volumen, y ambas variables –presión y volumen– eran inversamente proporcionales. Ahora bien, ¿por qué? A eso eran incapaces de responder tanto el uno como el otro.

Benoît Paul Émile Clapeyron (1799-1864).

Incluso ya en 1834, la cosa seguía más o menos igual. El francés Benoît Paul Émile Clapeyron combinó muchas de las ecuaciones empíricas del XVII y XVIII en una sola, la ecuación de los gases ideales, que seguro que has visto alguna vez:

PV = nRT

En la ecuación de Clapeyron aparecían la presión P, el volumen V, la temperatura T, la cantidad de gas n y una constante universal, R. Como puedes ver, se trata de una ley muy simple que establece básicamente una serie de proporcionalidades, directas o inversas, entre las distintas variables que definen el estado de un gas: manteniendo lo demás igual, cuanto mayor es la presión, menor es el volumen, etc. Eso sí, puesto que se trata de una agregación de leyes empíricas anteriores, ésta también lo es — los gases se comportan así porque eso es lo que hemos visto, diría Clapeyron.

El primero en vislumbrar lo que había detrás de estas leyes fue el holandés-suizo Daniel Bernoulli en 1738, quien sugirió algo que a muchos de sus coetáneos les sonó a cuento chino: los gases, según Bernoulli, estaban formados por un inmenso número de diminutas partículas que se movían aleatoriamente, muy separadas unas de otras comparado con el tamaño que ocupaba cada una. Según esas pequeñas partículas chocaban contra las paredes que contenían el gas, los minúsculos pero frecuentísimos choques producían lo que denominamos presión. Ya sé que esto resulta evidente hoy en día, pero en su época era una afirmación tremendamente osada.

Durante muchos años hubo una gran controversia al respecto, hasta que, un par de décadas después de que Clapeyron propusiera su ley de los gases ideales, dos científicos alemanes dejaron al mundo con la boca abierta. Se trataba de August Krönig y Rudolf Julius Emanuel Clausius (a la derecha, no he podido encontrar una foto de Krönig) y ambos hicieron prácticamente lo mismo con un año de diferencia –Krönig en 1856 y Clausius en 1857–. Krönig y Clausius partieron de la hipótesis de Bernoulli, es decir, que los gases están formados por multitud de pequeñas partículas en movimiento constante. A continuación, definieron las variables macroscópicas que podemos medir, como la presión o la temperatura, en función de las variables microscópicas de esas pequeñas partículas, como su energía cinética.

Clausius y Krönig trataron entonces de encontrar una relación matemática entre la presión, la temperatura, etc., dadas sus definiciones a partir de las propiedades microscópicas de las partículas que componen el gas –en términos modernos, de sus moléculas–, y tanto el uno como el otro obtuvieron la misma ecuación que había deducido Clapeyron. La ley de los gases ideales había dejado de ser una ley empírica sin base teórica para ser la expresión de un principio más profundo; a partir de ahí, otros genios como James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann desarrollaron las ideas anteriores hasta crear una auténtica teoría cinético-molecular de los gases: una teoría que podía predecir su comportamiento partiendo de la idea de moléculas en movimiento (de ahí el nombre de la teoría) utilizando la estadística. Se trata de uno de los mayores logros de la Termodinámica y una de las razones de que la segunda mitad del siglo XIX la catapultara como ciencia.

Ahora bien, por más maravillosa que fuera, la ley de los gases ideales de Clapeyron, Krönig y Clausius no funcionaba bien siempre: dependiendo de las condiciones del gas predecía exactamente su comportamiento o se daba de narices con la realidad. Para ser más específicos, si el gas se comprimía más de la cuenta, el comportamiento se alejaba más y más de la ecuación de los gases ideales. Si Clapeyron se hubiera topado con esto –no sé si en su época se sabía que a veces la ley fallaba o no–, tal vez simplemente hubiera modificado la ecuación y listo, puesto que era una expresión matemática de los experimentos realizados, pero para los científicos del XIX esto no era la solución. La Termodinámica había avanzado demasiado.

El problema, creo, es evidente: Clausius y Krönig habían establecido un modelo que predecía una ecuación (la de Clapeyron), pero esa ecuación no se cumplía siempre. Por lo tanto, el modelo –la imagen teórica de la naturaleza molecular de los gases– no podía ser correcto. Pero, por otra parte, si la hipótesis de Bernoulli y el modelo cinético-molecular posterior fueran una estupidez, ¿por qué en determinadas condiciones predecían con casi total exactitud el comportamiento de los gases?

Y aquí es donde llegamos, por fin, al héroe de la historia de hoy. Johannes Diderik van der Waals había nacido en Leiden, en Holanda, en 1837, tres años después de que Clapeyron obtuviera su ecuación, y nadie pensaría que algún día el chaval se dedicara a la ciencia. La razón era que van der Waals era el hijo de un carpintero, y en la Holanda de la época eso significaba que era casi imposible que tuviera una educación universitaria. Sin embargo, la inteligencia y el tesón del joven van der Waals, junto con los cambios sociales del siglo XIX, vencerían a las circunstancias.

Un joven Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).

Tras terminar el colegio, el joven se convirtió en ayudante de profesor y luego en profesor de Educación Primaria –algo para lo que no era necesario un título universitario–. Después consiguió asistir a algunas clases en la Universidad de Leiden aunque fuera sin opción a obtener un título, gracias a nuevos programas iniciados por el gobierno holandés. Finalmente se modificó una regla que exigía el conocimiento de las lenguas clásicas –latín y griego, que van der Waals no había estudiado– para entrar en la Universidad, y con unos treinta años logró por fin estudiar en Leiden mientras trabajaba como profesor.

Por entonces, la Termodinámica estaba sufriendo la revolución teórica que la convertiría en una ciencia sólida gracias a los genios que hemos mencionado antes; en 1857, cuando van der Waals tenía aún veinte años y acababa de empezar como profesor, lejos aún de tener un título universitario, había leído un artículo de Rudolf Clausius, Über die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen (Sobre el tipo de movimiento que denominamos calor), que lo impresionó de tal modo que se dedicó a leer todo lo que pudo encontrar de Termodinámica, especialmente los artículos teóricos que constituían “la cresta de la ola” en su desarrollo. Van der Waals se empapó de textos de Clausius, Maxwell, Boltzmann, Gibbs, etc., maravillado por la construcción teórica que permitía predecir el comportamiento macroscópico de los gases a partir de propiedades microscópicas.

De manera que, cuando llegó la hora de elegir un asunto para su tesis doctoral, ya como un talludito treintañero, van der Waals se decidió por el estudio de los fluidos y su comportamiento y, entre otras cosas, el problema tremendo de por qué la ley de los gases ideales no funcionaba siempre, y cuáles eran los errores del modelo de Krönig y Clausius que suponían esa imprecisión en la ecuación.

Unos años antes de que van der Waals realizara su tesis había surgido una nueva divergencia entre teoría y experimentación relacionada con el mismo asunto. El británico Thomas Andrews se había dedicado a realizar multitud de experimentos con distintos gases y líquidos a muchas presiones y temperaturas, especialmente en las regiones presión-temperatura en las que la ecuación de los gases ideales funcionaba peor, estudiando los cambios de estado. Y se había encontrado con algo muy, muy raro.

Lo normal era lo siguiente: si se tiene un sólido, es posible proporcionarle energía térmica hasta alcanzar la temperatura de fusión, fundirlo, y luego seguir proporcionándole energía hasta que alcance la temperatura de ebullición, hierva y se convierta en gas. También existían, y eran bien conocidas, sustancias que pasaban directamente de sólido a gas, es decir, se sublimaban, como el dióxido de carbono, cuya fase sólida se conoce como hielo seco por esa misma razón.

Sin embargo, Andrews había comprobado que esta diferencia de comportamiento entre sustancias no era absoluta, sino que era posible obtener una fase líquida del dióxido de carbono, como también era posible sublimar agua: la diferencia no era que unas sustancias pasaran por la fase líquida y otras no, sino que existían unos valores críticos de temperatura y presión que determinaban el comportamiento en los cambios de fase de las sustancias.

Por ejemplo, si el agua se encontraba a una temperatura mayor que unos 374 ºC, por más que se comprimiese nunca se condensaba a la fase líquida, mientras que por debajo de esa temperatura, a la que Andrews denominó temperatura crítica, era posible condensar agua aumentando la presión sobre ella. Pero también pasaba lo contrario: si la presión se aumentaba hasta superar las 218 atmósferas –218 veces la presión atmosférica típica–, por más que se calentase agua líquida, no rompía a hervir.

La mayor parte de los experimentos de Andrews se realizaron con dióxido de carbono, para el cual la temperatura crítica era de unos 31 ºC y la presión crítica era de unas 72 atmósferas. Como cualquier otra sustancia, por encima de esos dos valores era imposible distinguir líquido de gas, y era imposible lograr una condensación o una ebullición propiamente dichas.

De hecho, según Andrews realizaba experimentos de este tipo, se dio cuenta de que por encima de esos valores no existía una distinción propiamente dicha entre “líquido” y “gas”, contrariamente a las teorías de la época: al enfriar o comprimir este “líquido-gas”, su comportamiento se parecía más al de un líquido propiamente dicho, y al calentarlo o expandirlo, se parecía más a un gas como Dios manda, pero se trataba de un cambio gradual, no una transición brusca como solía suceder. Nadie se había percatado antes simplemente porque los valores críticos solían ser muy alejados de las condiciones cotidianas.

Van der Waals se dio cuenta de que los experimentos de Andrews mostraban que un gas con una presión muy baja se comportaba como un gas “de verdad”, mientras que al comprimirlo por encima de la presión crítica, era una especie de mezcla entre líquido y gas. Sin embargo, era precisamente al hacer eso –al tener un gas muy comprimido– que la ecuación de los gases ideales dejaba de funcionar bien. ¿No habría una relación entre ambas cosas? De modo que el holandés se dedicó a examinar el modelo teórico de Clausius y Krönig a partir del cual se había obtenido la ecuación de los gases ideales.

Ese modelo teórico partía de una serie de premisas, aunque aquí voy a hablar de las que son relevantes para el razonamiento de van der Waals:

• Un gas está formado por moléculas cuyo tamaño, comparado con el que ocupa el gas, es despreciable.

• Las moléculas que componen el gas no ejercen fuerza alguna unas sobre otras.

Esas dos premisas, naturalmente, son muy diferentes de las condiciones de un líquido: para él, el espacio que ocupa el líquido es prácticamente el que ocupan sus moléculas, que están “tocándose”, y las moléculas del líquido pueden deslizarse unas sobre otras pero mantienen sus distancias fijas pues están “pegadas”.

De modo que el holandés se planteó lo siguiente: ¿y si las moléculas del gas sí interaccionan entre sí? ¿y si consideramos que el espacio que ocupan no es despreciable? ¿tendría entonces la ecuación de Clapeyron la misma forma?

Van der Waals consideró, por una parte, que cada molécula ocupaba un volumen pequeño pero no despreciable. Por lo tanto, el volumen real ocupado por el gas era algo mayor que el volumen ideal de la ley de Clapeyron: V_real = V_ideal + V_moléculas. Y el volumen ocupado por las moléculas sería el producto del volumen de cada molécula por el número de moléculas.

Por otro lado, si las moléculas no eran completamente independientes, sino que ejercían fuerzas de atracción unas sobre otras, la presión real del gas sería menor que la presión ideal: P_real = P_ideal – P_moléculas. Esta presión intermolecular dependería de la densidad del gas, es decir, de lo alejadas que estuvieran las moléculas entre sí, ya que de haber muy pocas moléculas en un volumen muy grande, la interacción entre ellas sería muy pequeña.

Con estas dos variaciones sobre el modelo de gases ideales pero manteniendo el resto de las bases teóricas, van der Waals dedujo una ecuación equivalente a la de Clapeyron pero con dos “factores de corrección” que contrarrestaran los dos efectos del tamaño molecular y las interacciones entre moléculas. Dicho mal y pronto, según van der Waals era posible utilizar la ecuación de Clapeyron en términos del volumen y la presión “ideales”, pero despejando ambos de sus relaciones respectivas con los valores reales que he puesto arriba: V_ideal = V_real – V_moléculas y P_ideal = P_real + P_moléculas.

El holandés se dedicó a estimar tanto V_moléculas como P_moléculas en términos de constantes propias de cada gas. Sustituyendo ambos factores, van der Waals obtuvo una ecuación parecida a la del francés pero no igual:

(P + n²a/V²)(V – nb) = nRT

Donde los factores n²a/V² y nb eran las correcciones a la presión y volumen medidos en los experimentos. Tanto a como b eran constantes propias de cada sustancia, y estimaban la interacción intermolecular en un caso y el volumen molecular por otro. Ni qué decir tiene que, al aplicar su nueva ecuación a gases a grandes presiones, los resultados se ajustaban estupendamente a la realidad, mucho mejor que la ecuación de los gases ideales.

Pero lo más interesante no era la precisión de la nueva ecuación, sino la modificación al modelo teórico: los gases no estaban formados por partículas puntuales, sino con cierto volumen. Y más interesante aún: las moléculas de un gas, por razones completamente misteriosas –recuerda que estamos en una época anterior al conocimiento de protones, electrones y fuerzas eléctricas entre moléculas– se atraían unas a otras con una fuerza leve, pero no despreciable. Estas fuerzas intermoleculares se han denominado desde entonces, por cierto, fuerzas de van der Waals en honor a este hijo de carpintero.

Van der Waals en la época posterior al Nobel.

Cuando se encerraban muchas moléculas de un gas en un volumen muy pequeño, la nueva ecuación divergía muchísimo de la antigua, ya que el volumen ocupado por las moléculas era casi todo el volumen disponible para el gas, y las fuerzas entre moléculas disminuían muchísimo la presión real ejercida sobre las paredes. Lo que se tenía entonces, de acuerdo con la ecuación de van der Waals, era un gas muy raro: un gas con moléculas casi pegadas unas a otras y que se atraían fuertemente unas a otras pero apenas ejercían presión sobre el exterior como consecuencia de esa atracción entre ellas.

Lo que se tenía era un líquido.

La tesis doctoral de van der Waals, publicada en 1873 cuando el holandés tenía 36 años, se tituló Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand (Sobre la continuidad de los estados líquido y gaseoso). En ella, nuestro personaje no sólo deducía su ecuación partiendo de las dos premisas que hemos descrito antes, sino que mostraba cómo era posible, a través de ella, mirar a los líquidos y los gases como dos caras de la misma moneda: de hecho, era posible tener condiciones en las que el cambio de uno a otro era tan gradual que no tenía siquiera sentido hablar de “líquido” y “gas”, sino más bien de “fluido” en general, espeso y cuasi-líquido en un caso y rarificado y cuasi-gaseoso en el otro pero sin poder señalar con el dedo un punto en el que se produjera la transición entre estados.

En otras palabras, van der Waals había explicado los resultados experimentales de Thomas Andrews de una manera elegantísima, a una edad a la que los descubrimientos teóricos son muy infrecuentes, y superando dificultades que a casi cualquier otro –desde luego, a mí mismo– le hubieran quitado las ganas de dedicarse a la ciencia. La tesis de nuestro buen Diderik era clara y meridiana, y dejó a los grandes termodinámicos boquiabiertos (el propio James Clerk Maxwell la elogió con entusiasmo). Pero el holandés aún no había guardado el lápiz.

Como dijimos antes, las constantes a y b eran propias de cada sustancia, y medían la atracción y el volumen moleculares. Van der Waals se dedicó primero a intentar predecir los valores de esas dos constantes a partir de los de la temperatura y presión críticas de los experimentos de Andrews. Una vez logrado eso y ajustados los valores a los experimentos ya realizados, el holandés fue capaz de hacer justo lo contrario: predecir los valores críticos a partir de las constantes de la ecuación.

Haciendo eso, van der Waals se percató de algo crucial que espero poder explicar con claridad. Era posible seguir un proceso como el siguiente: en primer lugar, tomar un gas con el que es fácil obtener todos los estados posibles, como el dióxido de carbono, y determinar todas las constantes que determinan su comportamiento. A continuación, fijarse en un segundo gas del que sólo se conocen algunas constantes ya que no se han podido realizar todos los cambios de fase posibles con él, como por ejemplo, el helio.

Y, finalmente, era posible realizar una simple proporción entre las constantes de un gas y el otro y estimar las constantes desconocidas del segundo gas, es decir, predecir su comportamiento en situaciones nunca antes experimentadas. Pero permite que traduzca esto al lenguaje de los físicos experimentales de la época, obsesionados con una cosa en concreto: era posible predecir a qué presión y temperatura condensar gases como el hidrógeno o el helio.

Heike Kamerlingh Onne (izquierda) y Johannes Diderik van der Waals (derecha) en el laboratorio.

Utilizando las predicciones de van der Waals, dos científicos lograron exactamente eso: en 1898, James Dewar logró hidrógeno líquido, y en 1908 Heike Kamerlingh Onne obtuvo helio líquido. Hablaremos de ambos en esta misma serie, por cierto, ya que Dewar fue galardonado con un Nobel por conseguir precisamente eso, mientras que Onne obtuvo el Premio por un logro diferente, relacionado con la superconductividad.

Sin embargo, lo que más me maravilla de la historia de van der Waals, aparte de su tesón, es algo que se repite a lo largo de la historia de la ciencia: el descubrimiento de que dos cosas que considerábamos completamente distintas no son sino dos caras de la misma moneda. Ha sucedido así no sólo con gases y líquidos, sino con ondas y partículas, electricidad y magnetismo, física y química, vida y no-vida… la comprensión paulatina de que las distinciones están muchas veces en nuestra cabeza al pensar sobre las cosas, y no en las cosas mismas.

También me enorgullece, como tantas otras veces, el proceso mismo: la comprobación de que una teoría no se ajusta a la realidad en determinados casos; el examen riguroso de los postulados de esa teoría, y la modificación de alguno de ellos hasta adecuar las predicciones a la experimentación y, finalmente, la evolución de la teoría hacia algo más efectivo en la comprensión del Universo. En otros casos, desde luego, hace falta una revolución, pero el ejemplo de van der Waals es un clásico de proceso evolutivo en ciencia, de refinamiento de ideas anteriores. Ay, que se me hincha el pecho de felicidad…

Finalmente, como siempre, os dejo con el discurso de entrega de este Premio Nobel al profesor de Educación Primaria, pronunciado el 10 de diciembre de 1910 por el Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, el doctor Montelius:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

La Academia de las Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física de este año al mundialmente famoso físico holandés Johannes Diderik van der Waals por sus estudios sobre el estado físico y líquidos y gases.

Ya en su disertación inaugural, “Sobre la relación entre los estados líquido y gaseoso”, van der Waals señaló el problema al que dedicaría su vida y que aún reclama su atención hoy en día. En la disertación a la que me refiero trató de dar cuenta de las discrepancias entre las leyes simples de los gases y la realidad cuando la presión es razonablemente alta. Llegó a la conclusión de que estas discrepancias tienen que ver en parte con el espacio que ocupan las propias moléculas del gas, y en parte por la atracción que unas moléculas ejercen sobre las otras, de modo que la presión que actúa en el interior del gas es mayor que la presión externa.

Estos dos factores se hacen más y más importantes cuando se aumenta la presión sobre el gas. A una presión suficientemente grande, sin embargo, el gas se convierte en un líquido salvo que la temperatura exceda un valor determinado, la denominada temperatura crítica. Van der Waals demostró que es posible emplear las mismas consideraciones y los mismos cálculos a los líquidos que a los gases. Cuando la temperatura de un líquido supera la temperatura crítica sin permitir que el líquido se volatilice, se convierte de forma suave de líquido a gas; y cerca de la temperatura crítica es imposible distinguir entre el estado líquido y el gaseoso.

La fuerza que impide la separación entre las moléculas de un líquido es su atracción mutua, debido a la cual se mantiene una gran presión en el interior del líquido. Van der Waals calculó esta presión –la existencia de la cual había sido vagamente intuida por Laplace– para el caso del agua. Se trata de un valor de nada menos que 10 000 atmósferas a presión normal. En otras palabras, la presión interna, como se denomina, de una gota de agua sería unas diez veces mayor que la presión del agua en las regiones más profundas del océano que conocemos.

Sin embargo, éste no es el resultado más importante de los estudios de van der Waals. Sus cálculos lo llevaron a considerar el hecho de que, una vez comprendemos el comportamiento de un tipo determinado de gas y su líquido correspondiente, por ejemplo, el dióxido de carbono, a todas las temperaturas y presiones, podemos emplear proporciones simples para realizar los mismos cálculos para cualquier otro líquido o gas a cualquier presión y temperatura, siempre que conozcamos su estado a una temperatura determinada, la temperatura crítica.

Sobre la base de esta ley, que denominamos de los “estados correspondientes”, aplicada a varios líquidos y gases, van der Waals fue capaz de proporcionar una descripción completa del estado físico de gases y, más importante aún, líquidos bajo diversas condiciones externas. Comprobó que ciertas regularidades que habían sido descubiertas anteriormente pueden explicarse teóricamente, y descubrió varias leyes nuevas y desconocidas hasta entonces sobre el comportamiento de los líquidos.

Sin embargo, resultó que no todos los líquidos se regían exactamente por las leyes simples formuladas por van der Waals. Surgió una larga controversia sobre estas discrepancias, hasta que se descubrió que se debían al hecho de que las moléculas en estos líquidos no eran todas de la misma naturaleza; las primeras leyes de van der Waals sólo son válidas para líquidos de composición homogénea. Van der Waals extendió su trabajo entonces a mezclas de dos o más tipos de moléculas, y allí también fue capaz de descubrir las leyes correspondientes, las cuales son, por supuesto, más complejas que las que se aplican a las sustancias compuestas por moléculas de un solo tipo. En la actualidad, van der Waals sigue trabajando en los detalles de esta gran investigación. En cualquier caso, ha conseguido superar los obstáculos que existían inicialmente en su camino.

La teoría de van der Waals también se ha mostrado brillante en las predicciones que han hecho posible calcular las condiciones de la transición entre gases y líquidos. Hace dos años, el alumno más avanzado de van der Waals, Kamerlingh Onnes, logró de este modo obtener helio líquido — el último gas que no había sido aún condensado.

Ahora bien, los estudios de van der Waals no han sido de la mayor importancia únicamente para la investigación pura. La ingeniería de la refrigeración moderna, que es hoy en día un poderoso factor en nuestra economía e industria, basa sus métodos fundamentales en los estudios teóricos de van der Waals.

Doctor van der Waals. La Real Academia Sueca de las Ciencias le ha concedido el Premio Nobel de Física de este año en reconocimiento a sus estudios pioneros sobre el estado físico de líquidos y gases.

Las leyes de Hammurabi y de Moisés son antiguas y de gran importancia. Las leyes de la Naturaleza son aún más antiguas e importantes. Se aplican no sólo a ciertas regiones de la Tierra, sino a todo el Universo. Sin embargo, son difíciles de interpretar. Usted, Doctor, ha conseguido descifrar unos cuantos párrafos de estas leyes. Como consecuencia, recibirá usted el Premio Nobel, el máximo honor que nuestra Academia puede concederle.

En la próxima entrega de la serie, el Premio Nobel de Química de 1910.

Para saber más (esp/ing cuando es posible), y aprovecho para avisar de que la página sobre este científico genial en la Wikipedia en castellano es pobre, pobre:

• Johannes Diderik van der Waals / Johannes Diderik van der Waals
• Ecuación de van der Waals / Van der Waals equation
• Página oficial del Premio Nobel de Física de 1910
• Fuerzas de van der Waals / Van der Waals Force
• Punto crítico / Critical point

En la última entrega de la serie sobre los Premios Nobel hablamos sobre el galardón de Física de 1909, otorgado a Gulglielmo Marconi y Karl Ferdinand Braun por el desarrollo de la telegrafía sin hilos. Hoy seguimos nuestro recorrido por estos premios con el Premio Nobel de Química del mismo año, 1909, otorgado en este caso a Wilhelm Ostwald, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

En reconocimiento a su trabajo sobre catalizadores y sus investigaciones acerca de los principios fundamentales que gobiernan los equilibrios químicos y las velocidades de reacción.

Como nos ha pasado otras veces, seguramente leer la descripción del Premio no revela la tremenda importancia de lo que hay detrás, aunque en este caso mi impresión es que Ostwald tal vez no merecía el Nobel tanto más que otros investigadores en este campo (luego veremos por qué). Y, como también nos ha pasado otras veces –casi todas– no podemos hablar de Ostwald y su descubrimiento sin retroceder unas cuantas décadas para comprender la situación antes de que llegara el alemán. Como siempre, no supongo que tengas conocimientos de Química, pero sí que tienes paciencia y comprensión — dicho esto, viajemos a principios del siglo XIX, cuando la Química estaba aún en pañales.

Por entonces se habían estudiado ya de manera concienzuda multitud de reacciones químicas; se sabía que algunas sustancias, al ponerse en contacto entre sí, formaban otras nuevas, mientras que otras parecían no reaccionar en absoluto. También se sabía que, en algunos casos, la reacción era rápida y violenta, y en otros lenta y suave. Nadie se había preocupado aún de cuantificar estas características, pero los químicos se habían percatado ya de algo muy curioso: había algunos compuestos que no parecían reaccionar entre sí pero, sin embargo, si se añadía un compuesto nuevo determinado a la fiesta como “invitado”, entonces sí reaccionaban con entusiasmo… pero, al terminar la reacción, aunque los compuestos originales se habían gastado, el compuesto nuevo seguía ahí, igual que antes.

También pasaba a veces que varios compuestos sí reaccionaban entre sí, pero muy lentamente… salvo que se añadiese una vez más un compuesto “invitado”; al hacerlo, la reacción era mucho más violenta y, una vez más, cuando terminaba, el compuesto “invitado” seguía ahí, como si tal cosa, sin haberse consumido como los demás. Como puedes comprender, se trata de algo que puede resultar muy útil para la industria, ya que en muchos casos se quieren realizar reacciones químicas para producir algo como resultado final, y cuanto más rápida sea la reacción más cantidad se produce en un tiempo determinado.

Muchos químicos consideraron esto como una mera curiosidad y, puesto que no se conocían muchos casos de este fenómeno, los calificaron de excepciones y a otra cosa, mariposa. La industria, sin embargo, aunque no entendiera por qué sucedía esto, utilizó los casos contados en los que funcionaba. Por ejemplo, al producir ácido sulfúrico –que empezaba a ser ya un compuesto fundamental en la industria química naciente– si se utilizaba platino era posible, sin gastar el platino, que era el “compuesto invitado” producir el ácido mucho más rápido que sin él. El resultado final era igual, pero la rapidez mucho mayor lo hacía un método mucho más eficaz; claro, hacía falta una inversón extra para conseguir el platino, pero el metal no se gastaba porque era un mero “invitado”, con lo que no hacía falta estar comprándolo todo el tiempo.

Como digo, eran casos sueltos, curiosidades. Algunos químicos estudiaron varios de estos casos concretos en más detalle, y uno de los padres de la Química moderna tuvo la suficiente visión como para fijarse en todos esos casos concretos y extraer la clave del fenómeno. Ese químico era el sueco Jöns Jacob Berzelius, quien es probablemente merecedor de uno o más Premios Nobel, pero murió cincuenta años antes de que estos galardones nacieran. A pesar de tener la apariencia del malo en una novela de Dickens, era un auténtico genio: no sólo descubrió los elementos silicio, torio, cerio y selenio, sino que a él debemos los términos proteína, catálisis, isómero, polímero, alótropo, así como la distinción entre compuestos orgánicos e inorgánicos y muchos logros más.

Jöns Jacob Berzelius (1779-1848).

Berzelius, que fue Secretario de la Real Academia Sueca de las Ciencias durante cuarenta años, desde 1808 hasta 1848, leía prácticamente todos los artículos de Química publicados en Europa, con lo que se había topado con referencias a estas reacciones con “compuesto invitado” en artículos de Kirchhoff, Döbereiner, Thénard o Humphry Davy. Por razones que desconozco parece haberse dejado un artículo sin leer –o no comprendió su importancia–, publicado en 1806 por dos científicos franceses… pero de ese artículo hablaremos después.

Tal vez lo que disparó el interés de Berzelius fue un experimento realizado por uno de sus propios alumnos, Eilhard Mitscherlich, que estaba estudiando la transformación de alcohol en éter. Mitscherlich había observado que, si se añadía ácido sulfúrico a la reacción, ésta se producía mucho más deprisa; además, sí, lo has adivinado — al terminar, el ácido seguía ahí como si no hubiera roto un plato, sin consumirse como el alcohol. Berzelius se dio cuenta, por tanto, de que tantos “casos raros” no podían ser simplemente eso, sino que había una propiedad química común a todos ellos.

Explicado con una analogía estúpida y absurda –mía , no de Berzelius, claro–, la cosa es algo así. Imagina que invitas a una serie de personas a una fiesta para intentar emparejarlas (no me preguntes por qué quieres formar parejas). Sin embargo, la fiesta no tiene mucho éxito y casi todo el mundo charla un poco pero cada uno acaba yéndose solo a su casa. Se forma alguna pareja, pero nada espectacular. Pero, en otra ocasión, montas una segunda fiesta y, en este caso, invitas a tu primo Eulalio. Y esa noche, ¡sorpresa!, con la presencia de Eulalio, todo cambia. La gente empieza a hablar y reírse rápidamente, forman relaciones de forma impetuosa y todos se vuelven a casa emparejados. Todos, menos Eulalio, que termina tan solo como empezó la fiesta.

También se daba el caso contrario: montas una fiesta y unas cuantas personas acaban emparejadas. Sin embargo, si a la fiesta invitas a tu prima Bruna, la cosa cambia. La gente apenas habla, hay un ambiente raro, y al final todos se vuelven a casa solos –incluida Bruna, por supuesto–. Y lo más interesante de todo, desde la Química de esta época, incluida la del propio Berzelius: nadie tenía ni idea de cuál era la razón, ni cuál era la influencia de Bruna o Eulalio –o las sustancias que fuesen– sobre la reacción. ¿Por qué la presencia de platino al producir ácido sulfúrico aceleraba la producción del ácido? ¿Cómo se producía esa aceleración? Si el platino no formaba parte de ella, ya que al final se quedaba como al principio, ¿qué había hecho exactamente?

En 1836, Berzelius publicó sus conclusiones sobre todos estos procesos. El sueco los denominó procesos catalíticos y al fenómeno catálisis, del griego καταλύειν, “desatar”. Las sustancias que actuaban de este modo –Eulalia, Bruno, el platino, lo que fuese– eran entonces catalizadores, y su efecto era el de desencadenar, acelerar o ralentizar una reacción química sin ser ellos mismos modificados en modo alguno durante la reacción. En palabras de Berzelius,

La fuerza catalítica parece consistir en la capacidad de determinadas sustancias para activar las afinidades potenciales a esta temperatura por su mera presencia y afinidad, y como resultado, los elementos se estructuran de una manera diferente de modo que se produce una mayor neutralización electroquímica.

Berzelius no sabía cuál era la naturaleza del mecanismo catalítico: su definición era una simple descripción de lo que se notaba macroscópicamente, y era consciente de que hacía falta avanzar para lograr una explicación racional y empírica de lo que pasaba microscópicamente. Sin embargo, otro químico, el alemán Justus von Liebig, cuya reputación era muy grande por sus trabajos en Química orgánica, era de diferente opinión. Von Liebig pensaba que lo que sucedía era que una sustancia se descomponía por ser inestable y, al hacerlo, inducía a otras sustancias a descomponerse a su vez, como si la imitasen, de modo que se desencadenaba la reacción que, de otro modo, no se hubiera producido. No sé cómo explicaba von Liebig los catalizadores negativos, estilo prima Bruna, ni por qué su explicación fue aceptada de manera generalizada frente a la de Berzelius.

Sí sabemos que von Liebig era un científico extraordinario, y sus aportaciones a la Química orgánica, fundamentales. Berzelius y él estaban en desacuerdo en muchas cosas, y la verdad es que en la mayoría de los casos el joven alemán tenía razón; Berzelius pensaba, por ejemplo, que había una diferencia esencial entre los procesos orgánicos e inorgánicos, y que nunca sería posible formar sustancias orgánicas en un laboratorio, mientras que von Liebig pensaba que no existía tal diferencia esencial, sino que sería posible formar sustancias orgánicas artificialmente. Con el paso de los años, las ideas de von Liebig –más avanzadas, en general, que las de Berzelius– fueron ganando aceptación, y su reputación creció a la par que decrecía la de Berzelius.

Justus von Liebig (1803-1873).

Sin embargo, en este caso particular, Berzelius tenía razón y von Liebig no, y tal vez ese factor hizo que venciese el concepto de von Liebig frente al del sueco. La definición de Berzelius era menos concreta y ambiciosa que la del alemán: se limitaba a describir el fenómeno. Sin embargo, von Liebig daba una explicación más concreta –la descomposición que induce otras descomposiciones–, pero errónea, aunque no se supiese entonces. Y es mejor no tener una explicación de un fenómeno que tener una mala explicación, ya que en el primer caso sigues buscando, pero en el segundo tal vez no, de modo que la cosa se estanque con una explicación incorrecta. Y eso fue exactamente lo que pasó en el caso de la catálisis: la explicación errónea de von Liebig ganó, y las cosas se quedaron prácticamente paradas durante mucho tiempo.

Berzelius era consciente de esto, y no le gustaba un pelo la explicación de von Liebig:

Obtenemos así una explicación ficticia mediante la que creemos haber entendido lo que todavía no podemos comprender, y de este modo la atención se desvía de este asunto aún por explicar, con lo que permanece inexplicado más tiempo. Me gustaría repetir una vez más lo que ya he dicho a menudo en el pasado: que en la Ciencia, las explicaciones ficticias y prematuras llevan invariablemente a desviarse del camino, y que el único método de obtener conocimiento positivo es dejar lo incomprensible sin explicar hasta que, tarde o temprano, la explicación aparezca por sí misma a partir de hechos tan obvios que sea muy difícil que aparezcan opiniones divididas sobre ellos.

El sueco tenía razón: aún no era posible explicar correctamente los fenómenos catalíticos, porque hacía falta desarrollar conceptos que áun no existían. El concepto clave era tan obvio que parece una tontería que no existiese aún, pero nadie había formulado aún una definición rigurosa de él: se trataba de la velocidad de reacción, una magnitud que midiese la rapidez con la que se produce una reacción química y algo esencial para explicar la catálisis, que no era sino la modificación de esa velocidad de reacción mediante la presencia de determinadas sustancias.

El primero en atacar el problema fue el alemán Ludwig Ferdinand Wilhelmy, que estudió de manera cuantitativa la velocidad con la que se producía la conversión de sacarosa en fructosa y glucosa modificando diversos factores: aumentando la concentración de sacarosa, cambiando la temperatura y añadiendo un ácido como catalizador. Wilhelmy fue capaz de construir una ecuación que describía la velocidad de la reacción en función de estos factores y, con ello, dio el primer paso hacia una verdadera cinética química, sin la que la catálisis era algo inexplicable, como había predicho Berzelius.

A pesar de que Wilhelmy incluyó la concentración de ácido en la velocidad de reacción de descomposición de la sacarosa, no mencionó la palabra catalizador ni trató de explicar la razón de que el ácido acelerase la reacción sin, aparentemente, tomar parte en ella. Su artículo sobre la velocidad de reacción, por cierto, no despertó demasiado interés al principio: harían falta décadas para comprender su importancia. Para ello haría falta la llegada de nuestro galardonado de hoy – Wilhelm Ostwald.

Wilhelm Ostwald (1853-1932).

Ostwald nació en 1853 en Riga –en la actual Letonia, aunque por entonces era parte del Imperio Ruso–, aunque sus padres eran prusianos. Sus padres no tenían formación universitaria, pero el joven Ostwald se graduó en la Universidad de Tartu, en Estonia, y obtuvo su doctorado en la misma Universidad en 1878. Tras pasar su juventud en las orillas del Báltico, enseñando durante unos años en Tartu y en el Instituto Politécnico de Riga, en 1887 se mudó a Leipzig, donde permanecería hasta su muerte.

El principal interés de Ostwald era la Química física, de la que hemos hablado ya varias veces en esta serie, ya que el final del siglo XIX fue el momento en el que nació como disciplina. De hecho, se considera a Wilhelm Ostwald como uno de los tres padres de la Química física; los otros dos ya son viejos conocidos nuestros, Svante Arrhenius y Jacobus Henricus van ‘t Hoff. Como ya mencionamos al hablar de Arrhenius, la relación entre los tres científicos era excelente, y colaboraron juntos en diversas ocasiones. De hecho, aunque no dudo de la capacidad de Ostwald, sospecho que su Nobel se debe más a la influencia de Arrhenius que a ningún otro factor, ya que el sueco tenía un gran poder en la organización por entonces.

Svante Arrhenius (izquierda) y Wilhelm Ostwald (derecha).

Ostwald estaba particularmente interesado en los ácidos y bases y la teoría de Arrhenius para explicar su naturaleza y comportamiento mediante la disociación en iones libres –algo de lo que ya hablamos en el artículo dedicado a su Nobel–. Era ya conocido el hecho de que había ácidos más fuertes –como el sulfúrico– y otros más débiles –como el cítrico–, pero Ostwald quería obtener un modo de medir cuantitativamente esa fuerza. Para ello realizó diversos experimentos con distintos ácidos en reacciones en las que tomaban parte, entre ellas algunas en las que actuaban como catalizadores.

Cuanto más fuerte era un ácido, independientemente de cuál fuera en concreto el ácido, más intensa parecía ser su acción como catalizador. De modo que a Ostwald se le ocurrió que sería posible cuantificar la fuerza de los ácidos midiendo la velocidad con la que se producían las reacciones catalizadas por ellos, entre otros métodos. Para ello hacía falta el concepto de velocidad de reacción de Wilhelmy, pero ampliado y detallado más allá de donde había llegado él. De modo que Ostwald se dedicó a pulir y ampliar el concepto de velocidad de reacción definido por el alemán hasta crear una auténtica cinética química, es decir, un aparato conceptual capaz de describir cuantitativamente y en detalle todos los aspectos relacionados con el ritmo con el que se producen las reacciones.

Al aplicar estos conceptos a multitud de reacciones químicas, y de manera “lateral”, ya que su interés inicial había sido el estudio de ácidos y bases, Ostwald se dio cuenta de que las ideas de Justus von Liebig, aunque hubieran derrotado a las de Berzelius, no eran correctas. Von Liebig sostenía que las reacciones catalizadas se acababan produciendo porque la descomposición de una sustancia inducía la descomposición de otras, de modo que sin la descomposición de la primera no se producía la de las otras. Sin embargo, Ostwald había medido la velocidad de reacción de muchos procesos diferentes de manera muy meticulosa, y se había dado cuenta de algo interesante.

Wilhelm Ostwald en el laboratorio.

No existía ni una sola reacción en la que el catalizador desencadenase el proceso. Dicho de otro modo, si la reacción no se producía, la presencia de un catalizador no hacía que se produjese — no cambiaba nada, ni se inducía la descomposición de nadie. Lo que sí sucedía era que una reacción que ya se estaba produciendo sin la presencia del catalizador se produjera más rápidamente. Pero entonces ¿de dónde había sacado von Liebig la idea del desencadenamiento de la reacción?

La razón era simple una vez las medidas se hacían con el suficiente cuidado: había algunas reacciones químicas tan lentas que era casi imposible percibir que se estaban produciendo. Al añadir el catalizador, la reacción se aceleraba lo suficiente para ser perceptible con facilidad, con lo que a primera vista el catalizador era quien la desencadenaba. Pero claro, la realidad era otra bien distinta: el catalizador simplemente la aceleraba hasta que podíamos percibirla, ¡la reacción ya estaba produciéndose antes!

Jöns Jacob Berzelius, con su definición de catálisis más modesta y limitada conscientemente, tenía razón, y von Liebig había metido la pata. Y habían hecho falta unos 50 años para que nos diésemos cuenta, gracias a la introducción del concepto de velocidad de reacción creado por Wilhelmy y perfeccionado por Ostwald. Se trató casi del cumplimiento de la profecía de Berzelius cuando decía que era mejor esperar a que las cosas estuvieran claras antes de dar una explicación errónea y aventurada.

Jacobus Henricus van ‘t Hoff (izquierda) y Wilhelm Ostwald (derecha).

La nueva definición de catalizador de Ostwald, basada en la velocidad de reacción, era parecida a la de Berzelius: un catalizador es una sustancia que produce un aumento o disminución de la velocidad de reacción y que al terminar ésta permanece como estaba al principio. Sin embargo, el carácter cuantitativo de la definición de Ostwald permitió a los científicos avanzar en la cinética química y el estudio de los procesos catalíticos de un modo que había sido imposible antes.

Pero esto no resolvía el principal problema: ¿qué hacía un catalizador para acelerar o ralentizar una reacción, si parecía no tomar parte en ella? Curiosamente, para responder a esa pregunta no debemos continuar avanzando en la historia, sino que debemos retroceder.

Como recordarás, Berzelius había hecho acopio de multitud de publicaciones sobre procesos que podrían ser catalíticos para extraer conclusiones sobre ellos. Por alguna razón, entre esos estudios no estaba uno realizado por dos franceses, Charles Bernard Desormes y su yerno Nicolas Clemént. Estos dos científicos franceses son conocidos fundamentalmente porque lograron determinar experimentalmente el valor de la constante adiabática del aire, pero en 1806 estos dos individuos postularon una posible explicación de los fenómenos catalíticos aplicados a un caso concreto. Berzelius no conocía estas conclusiones, o no las consideró importantes, pero tras la base establecida por Ostwald fue posible realizar experimentos que demostraron que Desormes y Clément tenían razón: en 1806 habían conseguido lo que ni von Liebig ni el propio Berzelius habían podido lograr — explicar la naturaleza de los procesos catalíticos, lo mismo que voy a intentar hacer yo aquí pero de un modo bastante más vulgar.

No he podido encontrar, por cierto, qué experimentos concretos demostraron la existencia de las reacciones intermedias por primera vez; en el discurso del propio Ostwald en 1909, el prusiano afirma que la explicación de Clément y Desormes parece la más sólida, pero no parece haber sido demostrada por entonces más allá de toda duda.

La clave de la cuestión según los dos franceses estaba en que, aunque la reacción pareciese la misma con el catalizador o sin él, salvo en la velocidad a la que se producía, la reacción no era igual. Aunque el catalizador permaneciese igual que al principio, como si hubiese sido un mero espectador de todo el proceso, el catalizador sí formaba parte de la reacción. ¿Cómo era posible entonces que todo empezase y acabase igual pero que todo fuese más rápido o lento? La razón, de acuerdo con Clemént y Desormes, era que la reacción original se producía por un camino distinto, con reacciones intermedias más favorables que la original. Veámoslo con Eulalio, nuestro primo en la fiesta.

Antes dijimos simplemente que con Eulalio en la fiesta se formaban más parejas, pero nunca nos fijamos exactamente en qué hacía Eulalio. La realidad, aunque fuéramos incapaces de verlo, es que Eulalio se ponía a hablar con alguien, establecía una relación con él y, cuando ambos estaban ya hablando animadamente, Eulalio le presentaba a su interlocutor a otro invitado de la fiesta y lo hacía todo con tal soltura que los otros dos, sin darse cuenta, empezaban a hablar como si se conocieran de toda la vida… ¡y acababan yéndose juntos a casa! Entonces, Eulalio se fijaba en algún otro invitado solitario, se ponía a hablar con él y después le presentaba a otro invitado… y así una y otra vez. Claro, al final Eulalio seguía solo, como al principio, pero no había estado solo todo el tiempo: se había juntado y separado varias veces con unos y otros, acelerando enormemente el proceso por el que llegaban a conocerse y emparejarse los demás.

Tal vez lo veas mejor con un ejemplo pseudo-matemático. Imagina que tenemos dos sustancias, A y B, y queremos que reaccionen para formar AB. Sin embargo, la reacción

A + B → AB

es lentísima. De modo que añadimos a Eulalio –quiero decir, la sustancia E–, que reacciona muy rápidamente con A:

A + E → AE

Pero la sustancia AE, al estar cerca de B, reacciona también rápidamente con ella:

AE + B → AB + E

¡Hemos obtenido AB muy rápidamente! Pero en vez de hacerlo en un paso lento, lo hemos hecho en dos muy rápidos. Si los escribimos juntos y sumamos ambas ecuaciones, de modo que AE aparezca en ambos lados –formándose y descomponiéndose– y podamos descartarlo para ver el resultado neto de la reacción total,

A + E → AE

AE + B → AB + E

A + B + E → AB + E

Tanto al principio como al final vemos E solo, como si no tuviera nada que ver con esto, ¡pero es porque no estamos percibiendo el paso intermedio en el que se forma y luego se descompone AE! Como puedes ver, E sí participa en la reacción, ¡ya lo creo que participa! Lo que pasa es que sufre dos “reacciones contrarias”, de modo que termina igual que empezó.

Lo maravilloso de esto, como dijimos antes, es que es posible acelerar o ralentizar reacciones sin gastar E, ya que siempre lo tenemos ahí al final, listo, como Eulalio, para emparejar a alguien más. Se trata de algo tan útil y, aunque nos costara tanto verlo, tan sencillo, que era inevitable que hiciera su aparición en la química de los seres vivos. Eso es, al fin y al cabo, lo que es una enzima: una proteína que actúa de catalizador de una o varias reacciones en el metabolismo. Por ejemplo, la lactasa cataliza la hidrólisis de la lactosa de la leche (y las personas que no producen lactasa suelen beber leche sin lactosa o no beber leche).

No olvides tampoco que los catalizadores pueden ser positivos –acelerando reacciones– pero también negativos: por ejemplo, es muy común utilizar catalizadores negativos de oxidaciones y putrefacciones en los alimentos envasados, de modo que cambien su composición química más lenta en vez de más rápidamente y de este modo duren más. Así, muchos conservantes son catalizadores negativos. Y es gracias a Wilhelm Ostwald, entre otros, que comprendemos este aspecto de las reacciones químicas y el ritmo al que se producen.

Eso sí, como puedes ver, hay multitud de nombres en la historia de la catálisis, y no tengo claro que Ostwald sea el principal. Si has leído toda la serie hasta ahora, te habrás dado cuenta de que no se me cae la baba con él como con otros científicos ganadores de un Nobel, pero es indudable que era un investigador de primera. El caso es que, si nos ha servido de excusa para pasar un buen rato hablando de estas cosas, bienvenido sea.

No quiero terminar, como siempre, sin dejar aquí el discurso de entrega del Premio Nobel de Química de 1909, pronunciado por el Doctor H. Hildebrand, Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias el 10 de diciembre de ese mismo año:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

La Real Academia de las Ciencias ha decidido otorgar al ex-catedrático de la Universidad de Leipzig y Geheimrat, Wilhelm Ostwald, el Premio Nobel de Química de 1909 en reconocimiento a su trabajo sobre la catálisis y los estudios fundamentales asociados a él y centrados en los equilibrios químicos y las velocidades de reacción.

Ya en la primera mitad del siglo anterior se había observado en ciertos casos que podían inducirse reacciones químicas en sustancias que no parecían tomar parte en la reacción ellas mismas, y que en cualquier caso no sufrían alteraciones de ningún tipo. Esto llevó a Berzelius, en sus famosos informes anuales sobre el progreso de la Química de 1835 a realizar una de sus brillantes y no infrecuentes conclusiones, a partir de las que observaciones aisladas se agrupaban de acuerdo con un criterio común y se introducían nuevos conceptos en la Ciencia. Denominó este fenómeno catálisis. Sin embargo, el concepto de catálisis pronto recibió la oposición de otro bando igualmente eminente, que lo catalogó de inútil, y gradualmente cayó en un descrédito absoluto.

Unos cincuenta años más tarde, Wilhelm Ostwald realizó una serie de estudios para determinar la fuerza relativa de ácidos y bases. Intentó resolver este importantísimo asunto para la Química de diversas maneras, y todas ellas proporcionaron resultados consistentes. Entre otras cosas, descubrió que la velocidad con la que se producen diferentes procesos bajo la acción de ácidos y bases puede emplearse para determinar las fuerzas relativas de los últimos. Realizó multitud de medidas en esta línea, y al hacerlo estableció los cimientos del procedimiento de estudio de las velocidades de reacción, y examinó todos los casos típicos. Desde entonces, la teoría de las velocidades de reacción se ha convertido en algo más y más importante en la Química teórica; sin embargo, estos experimentos también proporcionaron una nueva luz sobre la naturaleza de los procesos catalíticos.

Después de que Arrhenius hubiese formulado su bien conocida teoría de que los ácidos y bases en disolución acuosa se disocian en iones y que su fuerza depende de su conductividad eléctrica o, más correctamente, de su grado de disociación, Ostwald comprobó la validez de esta idea midiendo la conductividad y, con ella, la concentración de los iones hidrógeno e hidroxilo con los ácidos y bases que había empleado en sus experimentos anteriores. Comprobó que la teoría de Arrhenius era correcta en todos los casos que investigó. Su explicación del hecho de que siempre encontrase los mismos valores para la fuerza relativa de ácidos y bases independientemente del método utilizado era que, en todos estos casos, los iones hidrógeno de los ácidos y los hidroxilo de las bases actuaban catalíticamente, y que la fuerza relativa de ácidos y bases estaba determinada únicamente por la concentración de estos iones.

Ostwald decidió, por tanto, realizar un estudio más profundo de los fenómenos catalíticos y extendió su campo de estudio también a otros catalizadores –como eran llamados–. Tras una investigación continua y consistente, logró formular un principio que describía la naturaleza de los catalizadores y que es satisfactoria para el estado actual de nuestro conocimiento, es decir, que la acción catalítica consiste en la modificación, por parte de la sustancia activa, de la velocidad a la que se produce una reacción química, sin que esa sustancia sea parte de los productos formados. La modificación puede ser un aumento, pero también una disminución, del ritmo al que se produce la reacción. Una reacción que de otro modo se produciría a un ritmo muy lento, tal vez necesitando años antes de alcanzar el equilibrio, puede ser acelerada mediante catalizadores hasta que se complete en un tiempo comparativamente corto, en algunos casos en uno o unos pocos minutos, o incluso en menos de un minuto, o viceversamente.

La velocidad de reacción es un parámetro medible y por lo tanto también son medibles todos los parámetros que la afectan. La catálisis, que anteriormente parecía ser un secreto escondido, se ha convertido por tanto en lo que se denomina un problema cinético y es accesible al estudio científico exacto.

El descubrimiento de Ostwald ha sido profusamente explotado. Además del propio Ostwald, un gran número de investigadores eminentes han entrado recientemente en este campo y el progreso es continuo y con cada vez mayor entusiasmo. Los resultados han sido verdaderamente admirables.

La mejor manera de revelar lo significativo de esta nueva idea es mediante el papel importantísimo –mencionado por primera vez por Ostwald– de los procesos catalíticos en todos los campos de la Química. Los procesos catalíticos son algo muy común, especialmente en la síntesis orgánica. Algunos sectores clave de la industria como, por ejemplo, la fabricación de ácido sulfúrico, la base de prácticamente toda la industria química, y la manufactura del añil que ha florecido de tal modo en los últimos diez años, se basan en la acción de catalizadores.

Sin embargo, un factor de incluso mayor peso, tal vez, es el conocimiento de que las denominadas enzimas, de una importancia extraordinaria en los procesos químicos en el interior de los organismos vivos, actúan como catalizadores y por lo tanto las teorías sobre el metabolismo animal y vegetal caen de pleno dentro del campo de la química catalítica. Como un ejemplo, los procesos químicos involucrados en la digestión son catalíticos, y pueden simularse paso a paso empleando catalizadores puramente inorgánicos. Además, la capacidad de varios órganos de transformar nutrientes de la sangre de modo que sean adecuados para las tareas específicas de cada órgano puede explicarse, sin ninguna duda, mediante la existencia de distintos tipos de enzimas dentro del órgano, capaces de realizar acciones catalíticas adaptadas a su propósito particular.

Aparte de esto, es extraño que algunas sustancias como el ácido cianhídrico, el cloruro mercúrico, el sulfuro de hidrógeno y otras que actúan como venenos extremadamente potentes sobre el organismo, también han sido observados neutralizando o “envenenando” catalizadores puramente inorgánicos como, por ejemplo, platino finamente pulverizado. Incluso mediante estas breves referencias debería quedar claro que, con la ayuda de la teoría catalítica de Ostwald, hemos adquirido una nueva manera de atacar complicados problemas en los procesos fisiológicos. Dado que estos procesos están relacionados con la acción enzimática en los organismos vivos, este nuevo campo de investigación es de una importancia para la humanidad que aún no puede ser comprendida completamente.

A pesar de que el Premio Nobel de Química es otorgado al Profesor Ostwald en reconocimiento a su trabajo con los catalizadores, es un hombre a quien el mundo químico debe mucho por otras razones. Mediante la palabra hablada y escrita él, más que tal vez cualquier otro, ha llevado a las teorías modernas a una rápida victoria, y durante varias décadas ha desempeñado un papel de liderazgo en el campo de la Química general. De otras maneras ha ayudado también al avance de la Química mediante su versátil actividad con numerosos descubrimientos y refinamientos en las esferas teórica y experimental.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Química de 1909
• Discurso de Wilhelm Ostwald
• Wilhelm Ostwald / WIlhelm Ostwald
• Catálisis / Catalysis

En 1897 era aún posible únicamente realizar una transmisión inalámbrica hasta una distancia de 14-20 km. Hoy en día, las ondas electromagnéticas se envían entre el Viejo y el Nuevo Mundo, todos los barcos de vapor transoceánicos de gran tamaño tienen su propio equipo telegráfico sin hilos a bordo, y toda Armada de importancia utiliza la telegrafía sin hilos.

¡Qué modernidad! ¡Todos los barcos de gran tamaño tienen su propio equipo telegráfico sin hilos! Las ciencias adelantan que es una barbaridad…

En fin, que me pierdo. El Premio de hoy es el Nobel de Física de 1909, otorgado al italiano Guglielmo Marconi y al alemán Karl Ferdinand Braun, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

En reconocimiento a sus contribuciones al desarrollo de la telegrafía sin hilos.

Hoy en día, claro está, no hablaríamos de telegrafía sin hilos sino de radio, pero ese término no empezó a utilizarse de manera extendida hasta 1920 o así y, al principio, realmente se trataba de algo tan simple como la telegrafía, no la transmisión de voz posterior.

En cualquier caso, el premio de hoy es peculiar. Desde luego, no pretendo conocer los pensamientos de los miembros de la Real Academia por entonces, pero por importantes que sean los avances logrados por Braun, Marconi y otros que no fueron recompensados con un Nobel, se trata de avances prácticos basados en un descubrimiento fundamental, el descubrimiento, que es el que debería haber recibido el Nobel.

Karl Ferdinand Braun (izquierda) y Guglielmo Marconi (derecha).

El problema es que los físicos que establecieron las bases teóricas y experimentales para el nacimiento de la “telegrafía sin hilos” y con ella de las comunicaciones inalámbricas en general estaban ya muertos antes de que se otorgase el primer Premio Nobel en 1901. Esto significa que, por revolucionarios que fueran aquellos descubrimientos, sus autores nunca podrían ser galardonados por ellos… con lo que sospecho, aunque se trate de una opinión personal, que la Academia trató de reconocer a Maxwell, Faraday o Hertz a través de Braun y Marconi y la realización práctica de las ideas y experimentos de aquellos genios.

De modo que tengo que pedirte, como muchas otras veces, comprensión: no voy a hablar mucho ni de Braun ni de Marconi, –aunque desde luego que describiremos brevemente sus contribuciones a este asunto–. No, esta serie es para disfrutar, no para recorrer mecánicamente los premios, y lo que es realmente para disfrutar, científicamente hablando, es lo que pasó antes de Marconi, Tesla o Braun, de modo que a eso nos dedicaremos fundamentalmente. Es posible que algún día dediquemos una entrega de inventos ingeniosos a la radio y será allí donde abordemos los asuntos más controvertidos y escabrosos del desarrollo de ese invento, pero hoy nos recrearemos en la ciencia pura relacionada con el nacimiento de la radio.

Debemos retroceder, por lo tanto, a mediados del XIX, cuando la electricidad y el magnetismo estaban aún en pañales. Ya hablamos brevemente de este asunto en el artículo dedicado al telégrafo eléctrico, pero en 1820 el danés Hans Christian Ørsted comprueba que una corriente eléctrica es capaz de mover una aguja imantada. La importancia fundamental de este experimento, sin duda, es el descubrimiento de la conexión existente entre electricidad y magnetismo, dos fenómenos que hasta entonces se habían considerado completamente separados, pero hay una segunda lectura más relevante en lo que al artículo de hoy se refiere: la aguja imantada no tocaba el cable por el que circulaba corriente, y sin embargo era afectada por él. Dicho con otras palabras, la corriente eléctrica ejercía un efecto sobre un objeto distante a través del espacio que los separaba. La electricidad afectaba al espacio circundante, aunque no se supiera aún cómo ni por qué.

James Clerk Maxwell (1831-1879).

Otros científicos, como Faraday y Henry, realizan avances experimentales considerables en el estudio de la electricidad y el magnetismo, demostrando y utilizando las conexiones entre ambos, pero hace falta un marco teórico que abarque ambos campos con coherencia y solidez: una auténtica teoría electromagnética. Si llevas gorra o sombrero, por favor, tengo que pedirte que te lo quites como muestra de respeto antes de seguir leyendo, ya que el responsable de crearla es un genio como ha habido pocos en la historia de la ciencia: el escocés James Clerk Maxwell. Como vimos en el artículo dedicado a Lorentz y Zeeman, Maxwell toma el conocimiento teórico anterior, los experimentos de Faraday y compañía, y elabora una teoría del electromagnetismo que explica con una elegancia pasmosa las observaciones anteriores relacionadas con la electricidad y el magnetismo. Sus cuatro ecuaciones –que eran más de cuatro y más complejas hasta que Oliver Heaviside las convirtiese en las que usamos hoy, aunque sigan llevando el nombre de Maxwell– son, sin duda, algunas de las más bellas de la Física, pero en lo que a nosotros respecta en este artículo, tienen una importancia adicional.

El caso es que, entre las diversas predicciones que Maxwell pudo obtener de sus ecuaciones, una de ellas era realmente intrigante: cualquier perturbación eléctrica o magnética no se transmitía instantáneamente por el espacio, sino que tardaba cierto tiempo en alcanzar puntos distantes. El escocés, por tanto, calculó a qué velocidad se transmitían esas perturbaciones y obtuvo un valor casi idéntico al de la velocidad de la luz –dentro de la precisión de la época, por supuesto–. Pero la cosa fue más lejos; la maravilla de las ecuaciones de Maxwell es que, aunque su propósito fuera describir fenómenos ya conocidos, de ellas se deducían conclusiones sorprendentes sobre la electricidad y el magnetismo, fenómenos nuevos y nunca identificados.

Ay, que se me saltan las lágrimas… las ecuaciones de Maxwell, a las que un hemos dedicado una mini-serie entera.

El más sorprendente de todos, y evidente al manipular las ecuaciones, era el hecho de que el campo magnético y el eléctrico, al variar en el tiempo y el espacio, debían ser capaces de producir ondas que se propagasen por el espacio: ondas electromagnéticas, en las que la oscilación era la propia variación del campo eléctrico y el magnético; en términos de la época, ondas eléctricas. Y la velocidad de propagación de esas ondas por el espacio era, curiosamente, la de la luz. Claro, las coincidencias pueden suceder, pero a Maxwell le pareció extremadamente sospechosa la combinación de dos factores: por un lado, la coincidencia casi exacta de la velocidad de la luz con la de sus “ondas eléctricas”, y por otro lado el hecho de que, siendo tan evidente la existencia de esas ondas a partir de sus ecuaciones, nadie nunca las hubiera visto. En palabras del propio Maxwell,

Esta coincidencia de resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son efectos de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga a través del campo de acuerdo con las leyes del electromagnetismo.

Esa sustancia de la que habla Maxwell no era otra que el famoso éter luminífero, que traería de cabeza a los físicos durante unas cuantas décadas, pero no es eso lo que nos interesa ahora mismo. La teoría de Maxwell no sólo combinó electricidad, magnetismo y luz, sino que además –y de ahí su importancia en esta entrada– predecía la posibilidad de crear señales ondulatorias utilizando la electricidad que viajasen por el espacio y pudiesen ser detectadas en otros lugares. Desde luego, Maxwell era un teórico puro y no realizó experimentos al respecto, pero sin su base teórica no hubieran sido posibles los avances posteriores. En mi opinión, el primero de los dos genios del artículo de hoy es, sin duda, el escocés, que no recibió el Nobel porque murió bastante tiempo antes de que existieran esos premios.

Pero, como casi siempre pasa en Ciencia, las respuestas de Maxwell generaban preguntas nuevas; la más importante de todas en este caso era casi inmediata tras conocer la propuesta de Maxwell para la luz: si las perturbaciones eléctricas producen, básicamente, luz, ¿por qué no las vemos como tales? ¿Por qué al encender una corriente eléctrica, o apagarla, o modificarla, no vemos nada? ¿No será que la luz es otra cosa que no tiene nada que ver con la electricidad o el magnetismo? ¿No será que no hay ninguna “onda eléctrica” viajando por el espacio, si nadie las ha visto nunca, y que las ecuaciones de Maxwell no son más que pamplinas? Dicho de un modo más formal, la propuesta de Maxwell era una hipótesis, la hipótesis electromagnética de la luz; como toda hipótesis, hacía falta demostrarla. Y, como tantas otras veces, al genio teórico –en este caso Maxwell– le hacía falta una contrapartida, un genio experimental. Ese genio no fue otro que el alemán Heinrich Rudolf Hertz, que ya hizo su aparición en esta misma serie como mentor de Philipp Lenard.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894).

Como muchos otros, Hertz era consciente de que la luz era posiblemente sólo una parte de todas las ondas electromagnéticas; nuestros ojos eran sensibles sólo a ciertas frecuencias de oscilación, y no todas. Las “ondas eléctricas” de Maxwell, al ser generadas con variaciones de corriente eléctrica ordinarias, eran invisibles al ojo humano. Pero el problema entonces era difícil de resolver: ¿cómo demostrar que existe una onda que nadie puede ver? La solución estaba en las propias ecuaciones de Maxwell, es decir, en las relaciones entre electricidad y magnetismo. El ojo humano podía no ser sensible a muchas ondas electromagnéticas, pero debía ser posible construir algún tipo de circuito eléctrico que sí lo fuese.

Para demostrar que Maxwell tenía razón, por lo tanto, hacían falta varias cosas: era necesario producir ondas utilizando únicamente la electricidad y el magnetismo, y además detectar esas ondas de un modo reproducible en otros laboratorios. Era también necesario determinar sus propiedades, y comprobar que coincidían con las de la luz — velocidad, comportamiento ante la refracción, reflexión, etc. De modo que el objetivo de Hertz no era precisamente sencillo. El físico alemán lo logró en una serie de experimentos que marcan un antes y un después en el estudio de la electricidad y el magnetismo, a pesar de que él mismo, como veremos luego, no les dio la importancia práctica que tienen. Estos experimentos son de tal importancia que, en el propio discurso del Premio Nobel de hoy –que no fue otorgado a Hertz por las razones que hemos descrito antes– se los califica como “los más importantes en el último medio siglo”.

Es muy posible, por cierto, que leas por ahí sobre otros científicos que consiguieron transmitir ondas electromagnéticas generadas por circuitos eléctricos, algunos antes que Hertz, pero ninguno lo hizo con la claridad que el alemán, ni lo hizo de un modo sistemático que demostrase la propuesta de Maxwell, ni obtuvo tantos resultados sobre las propiedades de las “ondas eléctricas” como Hertz; como decía antes, un auténtico genio de la física experimental, tanto como Maxwell lo era de la teórica.

Hertz conocía bien, por supuesto, la teoría electromagnética. Su idea era la siguiente: producir una variación del campo electromagnético en un punto determinado, cuanto más brusca, mejor, y construir un detector lo más sensible que pudiese, de modo que si el emisor producía una perturbación electromagnética que, efectivamente, se propagase por el espacio como predecía Maxwell, el detector fuera capaz de notar su presencia. Dicho mal y pronto, la idea era pegar un buen “latigazo eléctrico” en un punto del espacio, que generase por tanto una onda electromagnética de gran amplitud a su alrededor. A su vez, esta onda debería ser capaz de meter otro “latigazo” en un lugar razonablemente alejado, y midiendo el movimiento de las cargas en el destino, debería ser posible detectar la “onda eléctrica”. No sé si suena simple, pero no lo era en absoluto; además, el experimento debía ser capaz de medir las propiedades de las ondas emitidas, como su frecuencia o amplitud, además de su velocidad, para ver si esa velocidad y esas propiedades coincidían con la de la luz.

El alemán construyó un emisor de “ondas eléctricas” que básicamente producía chispas. Para ello, unió una bobina de inducción que producía una corriente eléctrica oscilante de gran voltaje a una estructura metálica. En la estructura había dos partes, que terminaban en sendas esferitas metálicas que estaban casi en contacto pero que no se tocaban, y cada una de las dos partes estaba unida a un polo de la bobina. La idea era que, según circulaba corriente, uno de los dos lados de la estructura metálica –que hoy llamaríamos una antena– se iría cargando positivamente y el otro negativamente, hasta que la diferencia de potencial entre las dos esferitas metálicas fuera la suficiente para que saltase una chispa entre ellas (en cada lado había, además de la pequeña esfera, otra más grande que actuaba de condensador y almacenaba una buena cantidad de carga cada vez). A continuación, el sentido de la corriente procedente de la bobina cambiaba, y las dos partes de la “antena” se cargaban al revés que antes, más y más hasta que saltaba, otra vez, la chispa entre ambas bolitas, y así una y otra vez.

Réplica del experimento de Hertz (Sparkmuseum, publicado con permiso del autor).

La chispa generada era audible, como cualquier chispa eléctrica, y también era posible verla, pero si Maxwell tenía razón, debía ser posible además detectar una “onda eléctrica” invisible procedente de este emisor. Para detectarla, Hertz construyó algo muy parecido: un pequeño circuito sin ningún tipo de fuente de alimentación, con dos esferitas metálicas muy cercanas la una a la otra. Si, una vez más, Maxwell tenía razón, la perturbación eléctrica generada en el emisor viajaría por el espacio en todas direcciones; al alcanzar este segundo circuito, induciría en él una corriente variable de la misma frecuencia de oscilación que la original, que por lo tanto sería capaz de producir pequeñas chispas entre las esferitas metálicas del detector: chispas eléctricas sin que hubiese ninguna fuente de electricidad en el detector.

Claro, las chispas en el detector no serían tan brutales como en el emisor; si se estaban emitiendo ondas allí, según esas ondas se expandían por el espacio se irían atenuando, con lo que al llegar al receptor serían más débiles, tanto más cuanto más lejos estuvieran el emisor y el receptor, pero deberían ser visibles en la oscuridad: para asegurarse de verlas, el científico metió el receptor en una caja cerrada, de modo que fuera posible mirar dentro de la caja sin ser deslumbrado por la chispa original y ver la “chispa secundaria”. Y, cuando Hertz puso en marcha el emisor, se observaron pequeñas chispas repetidas en el receptor. ¡En un receptor sin fuente de energía eléctrica! Hertz había empleado una corriente eléctrica variable para transmitir señales eléctricas por el espacio sin emplear cables. ¡Éste, éste es el experimento que merece no sólo un Nobel, sino un beso en los morros de Herr Hertz!

Desde luego, la cosa no se quedó ahí: estamos hablando de un científico de primera. El físico comprobó y documentó la variación en la intensidad al modificar la distancia entre emisor y receptor; puso diferentes medios entre uno y otro para comprobar si la onda atravesaba distintos materiales o no, y para medir posibles cambios de dirección al cambiar de medio. Hizo reflejarse la onda sobre una lámina metálica para generar una especie de “eco”, mediante el que era posible medir aún más propiedades de la onda generada, y comprobó la velocidad de las perturbaciones. Vamos, que diseccionó estas “ondas eléctricas” para comprobar todas las propiedades, cualitativas y numéricas, que era posible comprobar, y se pasó cuatro años haciendo experimentos al respecto, entre 1885 y 1889.

Los resultados fueron publicados en Annalen der Physik y luego en un libro, Untersuchungen Ueber Die Ausbreitung Der Elektrischen Kraft (Investigaciones sobre la propagación de la energía eléctrica): las ondas eléctricas de Maxwell se comportaban exactamente igual que la luz en todos los aspectos, se reflejaban como ella, se refractaban como ella, se propagaban a la misma velocidad que ella… las diferencias eran minúsculas y se debían a la diferencia entre las frecuencias de una y otra. Por ejemplo, al igual que la propagación de la luz era detenida por materiales como un trozo de madera, las “ondas eléctricas” de mucha menor frecuencia generadas por el aparato de Hertz eran capaces de atravesarla, y el ojo humano era sensible a unas sí y no a otras.

Los resultados de Hertz eran tan claros, los experimentos tan metódicos, las explicaciones tan meridianas y las coincidencias tan exactas que a prácticamente nadie le quedó ninguna duda: la hipótesis electromagnética de la luz de Maxwell era cierta. Se trata de uno de los experimentos más importantes de todo el siglo XIX, pero no sólo por su importancia teórica: Hertz había enviado una señal eléctrica entre dos puntos a través del aire. ¿Te das cuenta del potencial inmenso del experimento y sus aplicaciones prácticas?

Bueno, no sé si tú te das cuenta o no, pero puedo decirte que el propio Heinrich Hertz no se daba cuenta en absoluto. Era plenamente consciente, naturalmente, de la importancia teórica de sus experimentos –muy tonto hubiera tenido que ser para pasar cuatro años haciendo experimentos inútiles–, pero completamente ciego a la importancia práctica de lo que había logrado. ¿Cuáles eran las posibles ramificaciones y utilidades de lo que acababa de conseguir? En sus propias palabras:

No tiene utilidad alguna [...] es sólo un experimento que demuestra que el Maestro Maxwell tenía razón – simplemente tenemos estas misteriosas ondas electromagnéticas que no podemos ver a simple vista. Pero están ahí.

En otra frase digna de un autor de ciencia-ficción clarividente, el bueno de Hertz sentenció la cuestión:

No creo que las ondas que he descubierto tengan ninguna aplicación práctica.

Afortunadamente para nosotros, otros no estaban de acuerdo con él, y en poquísimos años existían ya una infinidad de aplicaciones prácticas de las “ondas inútiles” de Hertz. De hecho, como he dicho al principio, en mi humilde opinión los dos héroes de toda esta historia son Maxwell y Hertz, y los demás simplemente limaron detalles. Era inevitable, aunque Hertz no lo viera, aplicar estos conceptos a la práctica, y una auténtica jauría de científicos e ingenieros se lanzaron a la faena con voracidad.

Tal fue el número de personas que se dedicaron a este empeño tras la publicación de los resultados de Hertz, y especialmente de 1891 en adelante, que no está nada claro quién hizo qué primero, y depende de qué fuentes consultes te aparecen unos nombres u otros: Bose, Braun, Popov, Tesla, Branly, Marconi… tengo bastante claro que los dos galardonados con el Nobel de 1909 –Braun y Marconi– no merecen ser distinguidos de este modo dejando a los demás olvidados. Sí es cierto que los sistemas de Braun y especialmente Marconi, por unas razones u otras, tuvieron un éxito comercial que los hizo más famosos, pero ése no debería ser un factor determinante en la entrega de un Nobel. En fin.

Karl Ferdinand Braun (el del medio) en la estación de telegrafía sin hilos de Helgoland, el 24 de septiembre de 1900.

Braun se unió a la vorágine alrededor de 1897, y logró avances, como la adición de un diodo rectificador en el receptor, que se convirtieron en múltiples patentes. Las mejoras del alemán aumentaron el alcance práctico de las señales de radio en varios órdenes de magnitud, y permitieron conseguir que lo que en 1888 había sido una comunicación entre un emisor y un receptor separados unos metros pudiera convertirse en algo muchísimo más útil. Hacia 1900, el sistema de Braun se empleaba ya para comunicar, mediante la telegrafía sin hilos, la costa alemana con la isla de Helgoland; la distancia entre estaciones era de unos 60 km, lo cual no está nada mal teniendo en cuenta que sólo habían pasado doce años desde los experimentos de Hertz.

El otro galardonado, el italiano Guglielmo Marconi, empezó a trabajar en el asunto unos años antes que Braun, en 1894, como consecuencia indirecta de la muerte de Heinrich Hertz: el fallecimiento del alemán provocó un renovado interés en varias de sus publicaciones, y uno de los recién interesados entonces fue Marconi. El italiano, tras comprobar que en su tierra natal no recibía la atención y los fondos necesarios, se mudó a Gran Bretaña, y allí fue mejorando poco a poco los sistemas de transmisión sin hilos. A diferencia de Hertz o Maxwell, Marconi no era ningún genio –en mi opinión, por supuesto–, y su principal mérito fue, además del tesón, la adopción de multitud de pequeñas mejoras, algunas desarrolladas por otros (por ejemplo, por Braun o Tesla) para conseguir resultados prácticos brillantes.

Uno de los prototipos de Marconi, 1896.

El 13 de mayo de 1897, tres años antes de que Braun lo consiguiese desde Helgoland, Marconi realizó la primera transmisión de radio sobre el mar, entre Lavernock Point y Flat Holm Island; eso sí, en ausencia todavía de las mejoras de Braun, la distancia lograda por Marconi fue sólo de unos 6 km, mucho menos impresionante que los 60 del otro. Sin embargo, Marconi obtuvo la suficiente atención y supo gestionar contactos y finanzas de modo que fue mejorando su sistema más y más, sin inventar nada revolucionario por sí mismo.

Sé que no sueno muy entusiasmado con los avances de Guglielmo, pero no puedo ocultarlo y creo que es mejor dejarte claro lo que es opinión y lo que son hechos: no me despierta demasiada simpatía. En esta serie hemos visto genios como Röntgen o los Curie, que desentrañaban los secretos del Universo por curiosidad científica y, en muchos casos, donaban al público sus descubrimientos para que todos pudieran beneficiarse de ellos. Marconi y muchos de sus compañeros de la “jauría” (que no he llamado así al azar) tenían un propósito clarísimo: obtener patentes antes que los demás, establecer empresas que reemplazasen a las de telegrafía por hilos y monopolizasen las comunicaciones a larga distancia y ganar ingentes cantidades de dinero con ello. Y todo ello, además, sin realizar avances científicos de una verdadera entidad y, en muchas ocasiones, robándose las ideas unos a otros. Tener como objetivo ganar dinero es perfectamente razonable, pero el modo en el que muchos lo hicieron no lo fue tanto.

Marconi y sus colaboradores elevando una antena sobre una cometa en Terranova, 1901.

En 1901, la empresa de Marconi anunció que había logrado una comunicación inalámbrica transoceánica: utilizando una antena montada sobre una cometa, habían enviado señales telegráficas entre Poldhu, en Cornualles, y Signal Hill, en Terranova. Sin embargo, sólo tenemos la palabra de Marconi y su empresa para probarlo, y muchos no se creen que realmente lo lograse entonces –y muchos tampoco se lo creían en 1901–. Además, el sistema empleado por Marconi utilizaba tantos diseños creados por otros que el mérito es muy relativo. Por otro lado, en años posteriores Marconi sí realizó comunicaciones transatlánticas comprobadas de forma regular. Claro, para realizar transmisiones a tan larga distancia, las estaciones emisoras debían ser de gran potencia, lo cual significaba que para construirlas hacían falta grandes inversiones… y nos alejamos, con todo esto, del espíritu de esta serie, de modo que permite que lo deje aquí.

De hecho, si algo recuerdas de este artículo en unos meses, que sean la perspicacia de James Clerk Maxwell en su predicción de la naturaleza electromagnética de la luz y la astucia experimental de Heinrich Hertz para demostrarlo, además de la ceguera del segundo respecto a las posibles aplicaciones prácticas de sus experimentos, y no tanto los avances posteriores, por más que fueran ésos los que obtuviesen el Nobel. Sin embargo, no puedo evitar dejar, como siempre, el discurso pronunciado por el Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, H. Hildebrand, el día 10 de diciembre de 1909:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

La investigación en la rama de la Física nos ha proporcionado muchas sorpresas. Descubrimientos que al principio parecían tener únicamente un interés teórico han llevado a menudo a inventos de la máxima importancia para el avance de la humanidad. Y si esto es cierto para la Física en general, lo es aún más en el caso de la investigación en el campo de la electricidad.

Los descubrimientos e invenciones a los que la Real Academia de las Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Física de este año tienen también su origen en trabajos y estudios puramente teóricos. Sin embargo, por más importantes que éstos fueron en sus campos respectivos, nadie podría haber imaginado al principio que llevarían a las aplicaciones prácticas que surgieron más tarde.

Aunque esta noche estamos otorgando el Premio Nobel a dos de los hombres que más han contribuido al desarrollo de la telegrafía sin cables, debemos antes manifestar nuestra admiración por aquellos grandes investigadores –ya fallecidos– quienes, a través de su trabajo brillante y talentoso en los campos de la Física experimental y matemática abrieron el camino a grandes aplicaciones prácticas. Fue Faraday, con su afilada mente, quien primero sospechó una conexión íntima entre los fenómenos de la luz y la electricidad, y fue Maxwell quien tradujo sus atrevidos conceptos e ideas al lenguaje matemático y, finalmente, fue Hertz quien, a través de sus experimentos ya clásicos, mostró que las nuevas ideas sobre la naturaleza de la electricidad y la luz tenían una base real en los hechos.

Es cierto que era ya conocido antes de Hertz que un condensador cargado con electricidad puede, bajo determinadas circunstancias, descargarse de modo oscilatorio, es decir, con corrientes eléctricas que van a uno y otro lado. Sin embargo, Hertz fue el primero en demostrar que los efectos de estas corrientes se propagan por el espacio a la velocidad de la luz, produciendo así un movimiento ondulatorio con todas las características de la luz. Este descubrimiento –probablemente el más importante en el campo de la Física en el último medio siglo–. fue realizado en 1888. Constituye el fundamente, no sólo de la ciencia moderna de la Electricidad, sino también de la telegrafía sin hilos. Pero hacía falta todavía un gran salto desde las pruebas en miniatura en un laboratorio, donde las ondas eléctricas podían seguirse una pequeña distancia, hasta la transmisión de señales a través de grandes distancias. Hacía falta un hombre capaz de comprender el potencial de este empeño, y de superar todas las dificultades que se interponían en el camino de llevar la idea a la práctica. Esta gran tarea estaba reservada a Guglielmo Marconi.

Incluso teniendo en cuenta intentos anteriores en este sentido, y el hecho de que las condiciones y prerrequisitos para la realización de este empeño ya estaban establecidos, el honor de las primeras pruebas recae, en su mayor parte, en Marconi, y debemos reconocer que el primer éxito en esta empresa fue obtenido como resultado de su habilidad para convertir la idea general en un sistema práctico y útil, además de la energía inflexible con la que persiguió el objetivo que él mismo se había marcado.

El primer experimento de Marconi de transmisión de una señal a través de las ondas hertzianas se llevó a cabo en 1895. A lo largo de los 14 años que han pasado desde entonces, la telegrafía sin hilos ha progresado sin pausa, hasta alcanzar la enorme importancia que tiene hoy en día. En 1897 era aún posible únicamente realizar una transmisión inalámbrica hasta una distancia de 14-20 km. Hoy en día, las ondas electromagnéticas se envían entre el Viejo y el Nuevo Mundo, todos los barcos de vapor transoceánicos de gran tamaño tienen su propio equipo telegráfico sin hilos a bordo, y toda Armada de importancia utiliza la telegrafía sin hilos.

El desarrollo de un gran invento pocas veces se produce a manos de un solo hombre, y muchas fuerzas han contribuido a los resultados notables que se han alcanzado. El sistema original de Marconi tenía sus puntos débiles. Las oscilaciones eléctricas enviadas desde la estación emisora eran relativamente débiles, y consistían de series de ondas que se seguían unas a otras y cuya amplitud caía rápidamente en las denominadas “oscilaciones atenuadas”. El resultado era que las ondas tenían un efecto muy débil en la estación receptora, con la consecuencia de que las ondas procedentes de otras estaciones emisoras interferían fácilmente con ellas, dificultando la recepción en la estación de destino. Este insatisfactorio estado de cosas se ha superado, por encima de cualquier otra cosa, gracias al trabajo inspirado del Profesor Ferdinand Braun.

Braun realizó una modificación al diseño del circuito de emisión de ondas eléctricas, de modo que fuese posible producir ondas intensas con muy poca atenuación. Es gracias a este sistema que la denominada “telegrafía de largo alcance” ha sido posible, en la que las oscilaciones de la estación emisora, como resultado de la resonancia, pueden ejercer el máximo efecto sobre la estación receptora. Una ventaja adicional se debe al hecho de que, en general, sólo las ondas de la frecuencia utilizada por la estación emisora tienen efecto sobre la estación receptora. A través de la introducción de estas mejoras, y sólo gracias a ellas, se han obtenido los magníficos resultados recientes en la telegrafía sin hilos.

Investigadores e ingenieros trabajan incesantemente en el desarrollo de la telegrafía inalámbrica. Hasta dónde puede llegar este desarrollo, no lo sabemos. Sin embargo, con los resultados ya obtenidos, la telegrafía se ha expandido del modo más afortunado. Libres de caminos fijos e independientes del espacio, podemos ahora producir conexiones entre lugares distantes, a través de enormes masas de agua y desiertos. ¡Éste es el magnífico resultado práctico que ha florecido a partir de uno de los más brillantes descubrimientos científicos de nuestro tiempo!

En la próxima entrega de la serie, el Premio Nobel de Química de 1909.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Física de 1909
• James Clerk Maxwell / James Clerk Maxwell
• Heinrich Hertz / Heinrich Hertz
• Guglielmo Marconi / Guglielmo Marconi
• Karl Ferdinand Braun / Karl Ferdinand Braun

En el último artículo de la serie sobre los Premios Nobel, en la que recorremos estos galardones a lo largo de toda su historia, saboreamos juntos el Premio Nobel de Física de 1908, otorgado a Gabriel Lippmann por su trabajo en fotografía empleando la interferencia. Hoy haremos lo propio con el Premio Nobel de Química del mismo año, entregado al neozelandés Ernest Rutherford, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radioactivas¹.

Se trata de un premio muy interesante no sólo por la naturaleza derrumba-paradigmas del descubrimiento, uno de esos que suponen un antes y un después, sino también por otras dos razones. En primer lugar, porque el buen Rutherford no era químico, sino físico, y sin embargo su Nobel (debería haber ganado otros, pero bueno) es de Química, lo que demuestra algo que ya venimos diciendo a lo largo de la serie en repetidas ocasiones: el cambio de siglo supuso un emborronamiento de líneas entre las distintas ramas de la Ciencia, entre lo vivo y lo no vivo, entre prácticamente todo, como demuestra este mismo Nobel.

En segundo lugar, porque la serie tiene ya suficiente longitud como para que podamos ver este Premio desde la perspectiva de los anteriores: no es un descubrimiento aislado, sino que se trata del tercer episodio en una cadena de investigaciones, trabajo arduo y casualidades que empezó con Wilhelm Röntgen, siguió con Becquerel y los Curie y nos lleva hasta el genio del artículo de hoy. Esto es importante porque tendemos a idealizar a los científicos y sus descubrimientos, como si las cosas surgieran por magia potagia y la inteligencia sobrehumana de uno o dos genios, y las cosas no son tan exageradas.

Normalmente, cada descubrimiento es un pasito más allá, a partir del lugar al que llegó alguien anteriormente, y que nos permite ver un poquito más cómo son las cosas. Es como si alguien abriera un poco las cortinas de la ignorancia y las fijase allí, para que el siguiente pueda partir de ese punto y retirar la cortina un poco más… pero mejor dejo esto, que me estoy poniendo cursi. Lo importante es que, a diferencia de otras ocasiones, hoy no me hace falta contarte toda la perspectiva histórica anterior al descubrimiento en cuestión, porque te basta con releer –o leer, si eres nuevo aquí– los artículos anteriores.

Los esposos Curie en el laboratorio.

El caso es que ya vimos cómo Antoine Henri Becquerel había detectado la emisión de un extraño tipo de rayos por parte de sales de uranio –que recibieron el nombre de rayos de Becquerel en su honor– y cómo los dos Curie pudieron detectar emisiones similares por parte de muchas otras sustancias, como el torio o el radio. Todas esas sustancias se denominaron radiactivas, el proceso radiactividad y estaba claro que había algo muy, pero que muy raro teniendo lugar ahí, porque los rayos se llevaban energía de la sustancia pero lo que quedaba parecía no cambiar en absoluto de comportamiento, como si esa energía estuviera “saliendo de la nada”.

Además, estaba el misterio de los propios rayos de Becquerel: ¿qué demonios eran? Hacía falta estudiarlos con mucho cuidado para determinar su naturaleza y propiedades, y a eso se dedicó un buen puñado de físicos tras la publicación de los resultados de Becquerel y los Curie –entre ellos, estos mismos científicos–. Uno de quienes lo hizo fue un joven físico neozelandés, que con los años se convertiría en un auténtico faro en nuestra búsqueda de la verdad acerca de la naturaleza de la materia: Ernest Rutherford.

Ernest Rutherford (1871-1937).

Los padres de Rutherford eran granjeros; habían emigrado a Nueva Zelanda desde el Reino Unido y su hijo nació cerca de Nelson, en Nueva Zelanda, en 1871. Se trataba de una familia bastante humilde, y el joven Ernest pudo obtener su educación superior gracias a distintas becas; ¿quién les hubiera dicho a James y Martha, sus padres, que su retoño se convertiría en un Par del Reino con el título de Barón Rutherford de Nelson y el lema “Primordia Quaerere Rerum”, “Buscar los Primeros Principios de las Cosas”? Pero para eso aún quedaban muchos años y mucho trabajo por delante.

El muchacho estudió en la Universidad de Nueva Zelanda, y posteriormente se trasladó a la Universidad de Cambridge para doctorarse. En 1898 viajó hasta Canadá y se convirtió en Catedrático de Física en la Universidad de McGill, en Montreal, casi al mismo tiempo que el problema de los rayos de Becquerel se convertía en un desafío para la comunidad científica mundial. En McGill, Rutherford se puso manos a la obra para intentar determinar la naturaleza de esos misteriosos rayos, realizando diversos experimentos con sustancias emisoras de radiactividad espontánea, como el uranio.

En primer lugar, para determinar la capacidad de penetración de esta misteriosa radiación, Rutherford cubrió trozos de óxido de uranio –que emitían rayos de Becquerel– con capas de papel de aluminio, y observó algo muy peculiar: la cantidad de radiación que atravesaba el aluminio no disminuía uniformemente con la cantidad de aluminio que se interponía en su camino. Una parte de los rayos de Becquerel eran absorbidos en cuanto había algo de aluminio, mientras que otra parte era mucho más difícil de bloquear… era como si una fracción de los rayos no se comportase como la otra. La conclusión de Rutherford fue inmediata: los rayos no eran una sola cosa, sino al menos dos.

En 1899, tan sólo un año tras llegar a McGill, publica ya Uranium radiation and the electrical conduction produced by it (La radiación del uranio y la conducción eléctrica producida por ella) en el Philosophical Magazine. Allí explica su hipótesis, que mejor lees en sus propias palabras y no en las mías… escalofríos me da:

Estos experimentos demuestran que la radiación del uranio es compleja y que hay presentes al menos dos tipos diferentes de radiación – una que se absorbe muy fácilmente, y que denominaré por conveniencia radiación-alfa, y otra de un carácter más penetrante, que llamaré radiación-beta.

Estos dos tipos de radiación fueron detectados muy pronto en otros elementos radiactivos: eran emitidos también por el radio, el torio, el actinio… no se trataba de algo específico relativo al uranio, sino que siempre era posible dividir los rayos de Becquerel en estos dos tipos. Pero es que no había dos tipos, ¡había más! En 1900, el francés Paul Villard, mientras estudiaba la radiación emitida por el radio, realiza un descubrimiento extraordinario. Villard había interpuesto una placa de plomo frente a la muestra de radio, ya que de ese modo bloqueaba la radiación alfa, de modo que sólo quedaba la beta, que era desviada por los campos eléctricos ya que tenía carga eléctrica; hasta aquí, nada sorprendente, sobre todo si has leído ya los artículos dedicados a Lenard y Thomson, ya que la radiación beta no era otra cosa que electrones.

En cualquier caso, Villard (a la derecha), tras absorber los rayos alfa, sometió el resto a un campo magnético para curvarlos y una parte no se curvó. Es más, experimentando con esta tercera fracción de los rayos de Becquerel, al menos tan penetrante como la beta pero sin carga eléctrica, el francés comprobó que tenía un poder de penetración aún mayor que la radiación beta. En 1903, Ernest Rutherford propuso un nombre para este tercer tipo de rayos, radiación gamma, y se comprobó que siempre que había rayos de Becquerel estaban presentes los tres tipos de rayos: dicho de otro modo, no había tal cosa como “rayos de Becquerel”, sino que habíamos dado el nombre a una mezcla de tres cosas diferentes.

Si recuerdas los artículos dedicados a los rayos catódicos, Lenard, Thomson y compañía, sabes que la investigación referente a esos rayos se produjo casi al mismo tiempo que ésta. Los rayos beta fueron, por tanto, los primeros en ser identificados, ya que se sabía que los rayos catódicos estaban formados por electrones muy veloces, y el propio Henri Becquerel pudo demostrar que la radiación beta tenía las mismas propiedades, luego estaba formada por electrones: partículas muy ligeras, cargadas negativamente y que se movían muy deprisa. Pero ¿qué había de los otros dos tipos?

Rutherford se dedicó a estudiar la radiación-α, intentando desviarla con campos magnéticos para comprobar qué tipo de carga tenía. Sin embargo, al principio las desviaciones eran tan ligeras que no era posible estar seguros siquiera de que se estaban produciendo o si eran errores en los instrumentos de medida y los rayos alfa realmente no tenían carga eléctrica. Junto con otro físico británico, Frederick Soddy, Rutherford trabajó duramente para conseguir muestras radioactivas de mayor actividad y poder tomar medidas más y más precisas, y finalmente tuvo éxito: consiguió curvar los rayos-α en dirección opuesta a los electrones, demostrando así que se trataba de partículas cargadas positivamente.

Frederick Soddy (1877-1953).

Además, midiendo el radio de curvatura y sometiendo la radiación alfa a campos eléctricos, pudo tener una idea de su velocidad, la energía acarreada y la relación entre la carga eléctrica y la masa de estas partículas. Fíjate en que, tras el descubrimiento de que los rayos alfa tenían masa y carga eléctrica, gran parte del “misterio” de los rayos estaba ya desvelado: la palabra “rayo”, como “radiación”, es muy difusa, pero una vez conocida la naturaleza material y cargada de esos “rayos”, es mejor hablar de partículas-α y quitar un poco de magia a la cosa. Pero Rutherford y Soddy no habían hecho más que empezar.

Determinaron que las partículas alfa viajaban a alrededor de un doceavo de la velocidad de la luz, y que se trataba de algo miles de veces más pesado que los electrones. De hecho, debía tratarse de algo con una masa comparable a la de un átomo de hidrógeno o de helio, pero eso era algo de tal calibre que era imposible que lo que quedaba atrás, después de la emisión de estas partículas, fueran los mismos átomos que había al principio. Esto no era una idea nueva, y ya vimos cómo había sido postulada ya por Pierre Curie:

[...] que la propia existencia del átomo está en cuestión, y que estamos en presencia de una transformación de los elementos.

Sin embargo, la demostración por parte de Soddy y Rutherford de que los rayos emitidos por los elementos radioactivos contenían partículas, y no sólo eso, sino partículas muy masivas, reforzó enormemente esta idea, que Rutherford amplió y definió hasta convertirla en una verdadera hipótesis de la radiactividad como desintegración de los átomos inestables, algo que en la propia presentación del Premio –que, como siempre, podrás leer al final– se llama ya teoría de la desintegración. Piensa, para poder comprender la magnitud del logro de Rutherford, que estamos hablando de una época en la que aún no se conoce la estructura de un átomo.

Rutherford y Soddy explican además, con su hipótesis de desintegración, el calentamiento de algunos elementos radiactivos, que ya había sido observado por los Curie entre otros. Al principio se había considerado que ese calentamiento era parte de la propia radiactividad del elemento, pero Rutherford lo explica de manera muy distinta: la emisión de partículas alfa, muy pesadas y fáciles de absorber, es la responsable de la mayor parte de ese calentamiento. Al salir despedidas de algunos átomos del elemento, impactan luego contra los que lo rodean, proporcionándoles mayor energía cinética y, por tanto, mayor temperatura. De acuerdo con el neozelandés, por lo tanto, las sustancias radiactivas se calientan a sí mismas fundamentalmente bombardeándose con partículas-α. Y los experimentos van demostrando, efectivamente, que la temperatura de las sustancias radiactivas guarda una íntima relación con la cantidad de radiación alfa que emiten. Punto para Rutherford.

Donde el neozelandés metió la pata hasta el fondo fue al especular sobre la posible utilización de esta energía de un modo práctico. En 1933 afirmaría:

La energía producida por la desintegración del átomo es muy pobre. Cualquiera que pretenda utilizar la transformación de los átomos como fuente de energía está diciendo estupideces.

Pero es que predecir el futuro es tan, tan difícil… y parece que, cuanto más categórica la afirmación, más probable es que luego se demuestre como falsa. Al menos, es un consuelo ver cómo genios clarividentes como el propio Rutherford se dan de bruces con cosas así… ¡todos humanos! Por si te hace sonreír, otra “perla” de boca del neozelandés en la que demuestra cortedad de miras, tanto más irónica en cuanto a que su Nobel no es de Física, sino de Química:

En la Ciencia sólo existe la Física – lo demás es coleccionismo de sellos.

Pero el descubrimiento más fundamental y revolucionario de todos lo realizaron Rutherford y Soddy en 1901, cuando estaban estudiando un elemento radiactivo, el torio, y observaron que aparecía uranio donde antes no existía. De acuerdo con el relato de Soddy, él mismo exclamó: “¡Rutherford, es la transmutación!”, a lo que el bueno de Ernest respondió, azorado: “¡Por Dios, Soddy, no lo llames “transmutación”! ¡Acabarán con nosotros por alquimistas!” Pero no había duda alguna, y otros experimentos pronto confirmarían el hecho, unos pocos años antes impensable. Unos elementos se convertían de manera espontánea en otros diferentes.

Rutherford, al recibir su baronía.

De hecho, la hipótesis de la desintegración del propio Rutherford lo explicaba estupendamente bien: el átomo inestable emitía partículas alfa (lo que quiera que fuesen), partículas beta (electrones) y radiación gamma (radiación electromagnética), y como consecuencia se modificaban sus propiedades de una manera íntima, convirtiéndose el átomo en uno diferente, perteneciente a un elemento distinto.

Vamos, que una de las bases de la Química, con la que se había desenmascarado a charlatanes durante siglos –que los elementos no podían convertirse unos en otros, simplemente combinarse de una manera u otra para formar distintas moléculas– se había ido al traste. La transmutación de unos elementos en otros era posible, y de una manera rocambolesca, los alquimistas tenían razón en este aspecto, aunque fuera de chiripa y sin comprender si quiera el concepto de elemento; de hecho, aunque no tenga que ver con este artículo, posteriormente convertimos plomo en oro, el sueño de Paracelso y similares… pero resultó que convertir plomo en oro era muchísimo más caro que comprar oro directamente, lo cual hacía del empeño algo futil desde el punto de vista de los alquimistas medievales, claro.

Esto explicaba algo que se conocía desde hacía tiempo pero que, hasta entonces, no había tenido explicación: el hecho de que casi siempre, junto a depósitos subterráneos de uranio y otros elementos radioactivos, se encontraban bolsas de helio. Es más, el helio es tan ligero que su presencia en la atmósfera es casi testimonial, ya que la gravedad terrestre es incapaz de mantenerlo atrapado y escapa al espacio sin problemas… lo cual indicaba que el helio de que podíamos disponer debía haberse formado en el interior de la Tierra, pero ¿cómo?

¡Pues a partir de la desintegración radioactiva, claro! En palabras del propio Rutherford:

Es esperable, por lo tanto, que si cualquiera de los productos últimos de los cambios en un elemento radioactivo son gaseosos, se encontrarán atrapados, posiblemente en cantidades considerables, en los minerales naturales que contengan dicho elemento. Esto apoya la hipótesis ya planteada de que el helio es posiblemente un producto último de la desintegración de uno de los elementos radiactivos, ya que sólo se encuentra en minerales radioactivos.

El origen radiactivo del helio pudo comprobarse experimentalmente muy rápido de manera cualitativa: en 1903, William Ramsay y Frederick Soddy tomaron una muestra de tan sólo 30 miligramos de bromuro de radio y esperaron unos meses. Al cabo de ese tiempo examinaron la muestra y detectaron, por supuesto, cierta cantidad de helio que antes no estaba allí. Nuevo punto para Rutherford — pero no olvidemos a Ramsay, viejo conocido de la serie, y al leal Soddy.

Con el tiempo, realizando experimentos con muchos otros elementos inestables, como el radio o el actinio, se comprobó la hipótesis de desintegración de Rutherford a la perfección, con lo que dejó de serlo para convertirse en una teoría hecha y derecha. Todos esos elementos se desintegraban de manera constante, es decir, poco a poco sus átomos iban desprendiendo radiaciones diversas de manera espontánea y convirtiéndose en elementos nuevos. Es más, algunos de ellos daban como resultado, tras la transmutación, otros átomos que también eran inestables, y éstos a su vez a veces daban lugar a otros también inestables. Lo que se producía entonces era una auténtica cadena de desintegraciones hasta que, al final, se producía un último elemento que sí era estable, como por ejemplo, el plomo.

Cadena de desintegración del uranio-238 hasta el plomo-206.

Qué elementos nuevos se producían, en qué cantidades, con qué rapidez y cuáles eran los productos últimos de las desintegraciones, dependían todos del elemento original. De hecho, era posible medir, si se tenía el cuidado y la meticulosidad necesarias, el grado de inestabilidad de cada elemento radiactivo. Algunos se desintegraban bastante rápido, y su actividad iba descendiendo de una manera lenta pero medible, mientras que otros eran muy poco inestables. Pronto se empezó a hablar de la semivida de un elemento, es decir, el tiempo que debía pasar para que de un número determinado de átomos de un elemento inestable sólo quedase la mitad; hemos hablado de este asunto al explicar cómo se sabe la edad de las rocas, de modo que no voy a repetirme aquí.

Sin embargo, aunque las cosas fueran distintas para cada elemento radiactivo, por alguna razón había un producto “residual” en absolutamente todas las desintegraciones estudiadas: el helio. ¿Por qué? Aquí es donde hacía falta una mente preclara, capaz de hilar asuntos aparentemente desconectados y encontrar la relación entre ellos. Sí, lo has adivinado: Rutherford otra vez.

No tengo ni idea de cómo razonaría Rutherford, pero tal vez pudo ser así: cuando estos elementos se desintegran hay dos cosas en común: emiten partículas alfa tan masivas como un átomo, y uno de los productos finales comunes es el helio. ¿Puede haber una relación entre ambos fenómenos? Veamos: la relación carga-masa de las partículas alfa es tal que, si la carga de una partícula-α es la misma que la del hidrógeno, su masa será el doble que la de un átomo de hidrógeno. Si, por el contrario, la carga de una partícula-α es el doble que la del hidrógeno, eso significaría que su masa es cuatro veces la de un núcleo de hidrógeno… es decir, la misma que el helio. Era posible, por tanto, que las partículas alfa no fueran sino el propio helio que se detectaba luego.

¿Podría esto explicar las cosas? Sí, y de una forma elegantísima, ya que ambos fenómenos eran realmente el mismo. Las partículas alfa, si quedaban atrapadas, se iban acumulando, formando un pequeño depósito de helio asociado al material radioactivo. En palabras de Rutherford,

Sugerí que, con toda probabilidad, la partícula-alfa era un átomo de helio con carga doble que la unidad. De acuerdo con esto, cualquier sustancia radiactiva que emitiese partículas-alfa debería generar helio. Esto explicaba el hecho observado por Debierne de que el actinio, al igual que el radio, producía helio.

Pero claro, hacían falta más experimentos que demostrasen la naturaleza de las partículas alfa como átomos de helio. El propio Rutherford realizó algunos junto con el alemán Johannes Wilhelm Geiger (sí, el del contador), igual que hicieron William Crookes y otros, de modo que pudiera cuantificarse lo mejor posible la carga de una partícula-alfa. Si resultaba ser el doble que la del hidrógeno, la hipótesis de Rutherford obtendría un espaldarazo considerable. Para estimar esta carga, los científicos se dedicaron a contar partículas alfa emitidas por una muestra de uranio con la mayor precisión posible, además de medir la carga positiva expelida tras un tiempo determinado. Combinando ambas mediciones (carga total y número de partículas emitidas) pudieron dar una estimación de la carga de cada partícula-α individual: el doble que el hidrógeno. Punto para Rutherford.

Hans Geiger y Ernest Rutherford.

Si se suponía que los núcleos helio eran simplemente partículas alfa, sería posible predecir numéricamente la cantidad de helio que debería haber asociada a una muestra radiactiva determinada al cabo de un tiempo. Y eso hicieron precisamente Geiger y Rutherford, a pesar de que era muy difícil tener una gran precisión en la predicción dada la imprecisión en las medidas iniciales. Los dos científicos predijeron que, si la “hipótesis helio” de Rutherford era correcta, un gramo de radio debía producir, al cabo de un año, unos 158 mm³ de helio, con un error de 30-40 mm³. En 1908, el británico James Dewar realizó ese experimento y midió una cantidad de helio producida de 134 mm³. Punto para Rutherford.

Pero, ¡ah!, pensaban algunos. ¿No puede ser que el helio que aparece no sea sino simplemente un átomo más resultante de la desintegración radiactiva, y que las partículas alfa sean algo diferente? ¿No se producen otros elementos como consecuencia de la desintegración, y esos elementos no tienen que ver con los rayos-alfa? Hombre, mucha casualidad sería, pero claro, podría ser. De modo que el neozelandés se propuso demostrar sin lugar a dudas la identidad entre partículas alfa y átomos de helio, “recogiendo” las partículas alfa emitidas lejos de su fuente, para que no pudiese haber atisbo de duda de que lo que se medían eran partículas alfa y no un producto atómico en el propio material radioactivo.

Junto con Thomas Royds, Rutherford se dedicó a comprobar esto: introdujo una muestra radioactiva dentro de un recipiente de vidrio de paredes delgadas, y éste dentro de otro de paredes gruesas. Los grosores eran los adecuados para que las partículas alfa pudiesen atravesar la primera pared pero no la segunda, quedando así atrapadas en la región intermedia entre ambas paredes. Inicialmente, esta región intermedia estaba vacía, de modo que si aparecía helio ahí dentro, tenía que provenir de la muestra radioactiva. Los dos físicos dejaron la muestra un tiempo y luego observaron, sin lugar a dudas, la presencia de helio en la capa intermedia. Para descartar la posibilidad de que el helio proveniese de la difusión a través de la pared de átomos del propio material radioactivo, reemplazaron la muestra de roca por helio puro y duro, para ver si el gas atravesaba la pared y aparecía en la parte intermedia, pero no fue así. No cabía duda alguna: el helio era el resultado de la salida a través de la pared de partículas alfa. El misterio de los rayos-alfa había sido desvelado, explicado y triturado por el hijo de los granjeros. ¡Punto, set y partido para Rutherford!

Esto no quiere decir, sin embargo, que todo quedase explicado… así es la ciencia, afortunadamente. Nadie tenía ni idea de por qué el helio, un elemento en otras cosas insulso, era “escupido” cuando un átomo inestable se desintegraba. ¿Quería esto decir que los átomos estaban “hechos de helio”? Tampoco estaba explicado por qué se producían las desintegraciones. ¿Qué hacía inestables a los átomos? ¿Por qué unos lo eran y otros no? Y, desde luego, la madre de todas las preguntas de la física atómica de la época: ¿de qué diantres estaba hecho un átomo?

El propio Rutherford nos daría la respuesta a algunas de esas preguntas, y lograría cosas que dejan su descubrimiento de las partículas alfa como un juego de niños. Pero eso es otra historia, y tendrá que esperar a otra ocasión. El caso es que aquellas becas dieron buen fruto: Rutherford se convirtió en el padre de la física nuclear y, como dije al principio del artículo, entre la multitud de honores que recibió a lo largo de su vida estuvo una Baronía, la de Nelson. Puesto que no se trataba de un título nobiliario heredado, sino otorgado a Rutherford por sus propios méritos, pudo elegir escudo de armas, lema y cosas parecidas. En el escudo de armas de Rutherford, además del lema que mencionamos al principio del artículo, el neozelandés escogió poner un guerrero maorí y un kiwi para hacer referencia a su Nueva Zelanda natal… y, a la izquierda, algo que seguramente haría sonreír a Soddy.

Hermes Trimegisto, patrón de los alquimistas.

Como siempre, aunque sea un lenguaje arcaico y un poco pesado, te recomiendo encarecidamente que leas el discurso de presentación de K.B. Hasselberg, Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, pronunciado el 10 de diciembre de 1908, porque es delicioso conocer la visión contemporánea de los logros de Rutherford:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

El Premio Nobel de Química de este año (1908) ha sido otorgado por la Real Academia de las Ciencias a Ernest Rutherford, Catedrático de Física en la Universidad de Victoria, Manchester (Inglaterra), por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radioactivas.

Estas investigaciones están estrechamente relacionadas con, y constituyen una digna continuación de, logros que han obtenido ya el reconocimiento de la Academia en forma de Premio Nobel en ocasiones anteriores, como el trabajo teórico y experimental de J. J. Thomson sobre el movimiento de la electricidad a través de gases, el descubrimiento de Becquerel de la radiactividad espontánea, y la investigación de M. y Mme. Curie sobre los elementos que emiten rayos de uranio o, como también se denominan en honor al científico francés, rayos de Becquerel [como vimos en esta misma serie, se trataba realmente de radiación alfa, beta y gamma].

Poco tiempo después del descubrimiento de estos rayos –que, como se ha comprobado desde entonces, no son emitidos únicamente por el uranio, sino también por otros elementos como el torio, descubierto por Berzelius hace ochenta años, el radio y el polonio descubiertos por Mme. Curie, etc.– por parte de Becquerel, Rutherford los eligió como objeto de una investigación muy concienzuda, desarrollando métodos extraordinariamente exactos para medir su intensidad, demostrando así la existencia de tipos de rayos absolutamente diferentes (los así llamados rayos-alfa y rayos-beta), estableciendo las características más importantes de ambos tipos y poniendo de manifiesto, especialmente en lo que se refiere a los rayos-alfa, evidencia incontestable de su naturaleza material.

Sus investigaciones sobre los fenómenos radiativos que caracterizan al elemento torio llevaron a Rutherford a realizar el descubrimiento notable de que este elemento emana una sustancia gaseosa, la llamada emanación del torio, que se ha demostrado desde entonces es de naturaleza elemental, y utilizando aire líquido se ha conseguido condensarla en forma líquida.

En el progreso de estas investigaciones se hizo claro que la emanación no proviene directamente del torio, sino del denominado torio-X, un producto intermedio, que puede separarse del torio y que se forma constantemente a partir de él, y que a su vez se desintegra de manera constante según se produce la emanación gaseosa. La emanación en sí no es tampoco permanente, sino que al cabo de poco tiempo se transmuta en otras sustancias radiactivas, que –si la emanación entra en contacto con cuerpos sólidos– se deposita sobre ellos en forma de una capa muy delicada, la así llamada precipitación activa.

Las mismas condiciones que describimos respecto del torio también se han hecho evidentes respecto del radio, uranio, actinio, polonio, en resumidas cuentas, todos los elementos radiactivos, y ha sido posible demostrar, especialmente respecto al radio y el actinio, la formación de una emanación gaseosa de manera idéntica al caso del torio.

Todos estos cambios asociados al fenómeno de la radiactividad son de un orden completamente diferente al de los que suceden durante las reacciones químicas ordinarias, y no pueden mostrarse generalmente mediante la balanza o incluso el espectroscopio. Por otro lado, pueden detectarse con aparatos más sensibles, como el electroscopio, con una precisión y claridad tales que no es posible duda alguna acerca de su existencia.

Como se verá, los descubrimientos de Rutherford lo llevaron a la conclusión altamente sorprendente de que un elemento químico, en conflicto con las teorías existentes hasta el momento, es capaz de transformarse en otros elementos, y en cierto modo puede decirse que el progreso de la investigación nos trae de nuevo la teoría de la transmutación propuesta y sostenida por los alquimistas de antaño.

Como explicación de estos fenómenos sorprendentes, Rutherford, junto con el Dr. F. Soddy, uno de sus numerosos ayudantes, postuló en 1902 la así denominada teoría de la desintegración, asociada estrechamente en varios aspectos a las opiniones propuestas anteriormente por J. J. Thomson y otros físicos sobre la naturaleza de la materia.

De acuerdo con esta teoría, el origen y la pérdida de la radiactividad deben ser consideradas como consecuencia de cambios, no en la molécula, sino en el átomo en sí mismo. Los elementos radiactivos están sujetos, consecuentemente, a una desintegración real, de modo que en cualquier espacio de tiempo un porcentaje determinado de sus átomos se rompen en una o más partículas de radiación por una parte, y en un átomo nuevo por otra, que por tanto constituye un nuevo elemento distinto del origan, debido a las diferencias que manifiesta en sus propiedades físicas y químicas. Este nuevo elemento puede a su vez desintegrarse de un modo similar, y así, paso a paso, hasta que finalmente aparece un átomo de mayor estabilidad y permanencia.

Pues debe recordarse que la transmutación de los elementos radiactivos siempre se produce gradualmente, y da lugar a la producción de una cierta cantidad de formas transicionales inestables. En el caso del radio, por ejemplo, se cree haber detectado al menos siete. Estos elementos efímeros se caracterizan, en primer lugar, por la rapidez diferente con la que se transmutan o, como a menudo se expresa, por la variación de su semivida, una constante de la misma importancia al determinar la identidad de un elemento radioactivo como la masa atómica lo es para un elemento estable ordinario. Las medidas realizadas muestran que la semivida varía entre unos pocos segundos y miles de millones de años.

La teoría de la desintegración fue confirmada de manera meridiana justo después de ser publicada, por Sir William Ramsay y el Dr. Soddy uno después del otro, mostrando ambos de una manera absolutamente convincente cómo el helio se produce a partir del radio; este descubrimiento no puede ser considerado menos interesante que el hecho de que Rutherford y Soddy hubieran expresado previamente la opinión de que el helio debía considerarse probablemente como el producto de la desintegración de elementos radiactivos. Finalmente, la teoría de la desintegración, a pesar de la audacia con la que atacó y derribó la teoría previamente aceptada de la estabilidad de los elementos entre los químicos, ha obtenido un reconocimiento y aprobación generales de una manera extremadamente rápida, algo que seguramente se debe de manera principal por la perspicacia y orden sistemático que ha introducido en los departamentos de radiología.

A pesar de que el trabajo de Rutherford ha sido realizado por un físico y con ayuda de métodos físicos, su importancia para la investigación química llega tan lejos y es tan evidente, que la Real Academia de las Ciencias no ha dudado en otorgar a su creador el Premio Nobel designado para el trabajo original en el dominio de la química — proporcionando así una nueva prueba, a añadir a las numerosas ya existentes, de la interacción íntima entre las distintas ramas de las Ciencias Naturales en los tiempos modernos.

La teoría de la desintegración mencionada anteriormente, así como los resultados experimentales en los que se basa, son sinónimos de un nuevo salto en la química, que involucra una comprensión nueva y más profunda sobre la misma base de esta ciencia. Para los químicos del siglo XIX, el átomo y el elemento representaban, cada uno en su propia esfera, el límite último de la división o desintegración química, y al mismo tiempo el punto más allá del cual no era posible la investigación experimental. Si se les preguntaba qué había más allá, no era posible obtener más que especulaciones más o menos vagas y estériles. Esta línea de demarcación, considerada insuperable durante tanto tiempo, ha sido ahora barrida a un lado a todos los efectos. Hoy en día, la estructura interna de los átomos y las leyes que la regulan pertenecen al grupo de problemas que pueden ser objeto de discusión de un modo completamente práctico y científico, gracias a la exactitud de las medidas que han sido realizadas. Los resultados obtenidos hasta ahora no sólo son de la máxima importancia en sí mismos, sino que además adquieren una significación aún mayor por las numerosas posibilidades, completamente insospechadas diez o doce años atrás, que han sido abiertas por la continuación del trabajo de investigación en esta rama de la Ciencia.

Para saber más (es/en cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Física de 1908
• Ernest Rutherford / Ernest Rutherford
• Radiaciones alfa, beta y gamma

1. Para los pejigueros: la RAE admite radiactivo y radioactivo, hay gente que prefiere una o la otra, de modo que a lo largo del artículo intentaré intercalar ambas.

Estoy hablando, por cierto, del descubrimiento realizado por el franco-luxemburgués Jonas Ferdinand Gabriel Lippmann, que obtuvo el Premio Nobel de Física de 1908, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por su método de reproducción fotográfica en color basado en el fenómeno de la interferencia.

A diferencia de otros años, en este caso queda clarísima la razón de otorgar el galardón, puesto que es algo muy concreto. Sin embargo, como siempre, volvamos hacia atrás en el tiempo para comprender el contexto y la relevancia del descubrimiento de Lippmann.

La fotografía tenía ya unas cuantas décadas aunque, por supuesto, en blanco y negro. Las primeras que conservamos, creadas por el francés Nicéphore Niépce, son de alrededor de 1825. Niépce, un genio que consiguió también crear el primer motor de combustión interna de la historia, el pireolóforo, denominó a sus primitivas fotografías heliografías, por escritura mediante el Sol y, aunque no eran de una gran calidad y requerían de un tiempo de exposición enorme, se trata de un logro excepcional y las bases de la técnica de Niépce son esencialmente las mismas que la de la fotografía posterior.

Nicéphore Niépce (1765-1833).

La idea es bien sencilla: introducir una placa cubierta de ciertos compuestos químicos en una cámara oscura abierta al exterior por un agujero que puede taparse a voluntad, y elegir compuestos químicos que sufren algún tipo de cambio al ser expuestos a la luz, de modo que pueda registrarse en qué puntos hubo mayor intensidad luminosa y en qué puntos menor. Una vez fijados los compuestos tras la exposición, de modo que no se siga produciendo ningún cambio químico ante la luz, basta volver a mirar la placa revelada para ver la escena a la que se expuso la placa originalmente: se ha logrado entonces “fijar” la escena permanentemente sobre un sustrato físico.

En el caso de las heliografías de Niépce, el compuesto químico era una disolución de betún y aceite de lavanda. Con él, el francés cubría una placa metálica, que introducía en la cámara oscura. Después exponía la placa a la escena a heliografiar, aprovechando una peculiaridad del betún así disuelto en aceite de lavanda: que se endurecía paulatinamente al recibir la luz debido a un cambio en su estructura química. Una vez había pasado el tiempo suficiente, Niépce lavaba la placa con más aceite de lavanda, que se llevaba consigo el betún aún viscoso pero que dejaba pegado a la lámina el endurecido debido a la luz. Así, se obtenía una placa en la que algunas partes mostraban el metal que había bajo la capa de betún –donde había desaparecido el compuesto– y en otras seguía habiendo betún.

Vista desde la ventana en Le Gras, una de las primeras heliografías de Niépce (c. 1826). Observa la luz blanca sobre las caras izquierda y derecha de los edificios debido al tiempo de exposición.

El resultado tenía “relieve”, y era posible luego crear grabados a partir de él. En fin, algo realmente maravilloso. El principal problema del método de Niépce era que el tiempo de exposición necesario era de unas ocho horas, ¡como para posar para una heliografía! De ahí que el retraro de arriba sea eso, un retrato, y que no dispongamos de heliografías del propio Niépce ni de ninguna persona. Eso sí, para tomar imágenes de objetos inanimados, como otros grabados o edificios, era estupenda… excepto que al tomar heliografías de exteriores, el tiempo de exposición era tan largo que las sombras iban cambiando a lo largo del tiempo según el movimiento aparente del Sol en el cielo, claro.

Pero, limitaciones aparte, el inventor francés había abierto el camino, y otros lo seguirían gustosos, probando con otros compuestos químicos que requiriesen de un tiempo de exposición menor. El propio Niépce era consciente de que su método del betún no era muy práctico por esa misma razón, y colaboró durante años con otro francés, Louis Daguerre, para conseguir tiempos más cortos. Unos años tras la muerte de Niépce, Daguerre consiguió un método más eficaz que empleaba, en vez de betún y aceite de lavanda, sales de plata y vapores de mercurio.

El sistema de Daguerre se hizo mucho más famoso que el de Niépce –injustamente olvidado–, y sus daguerrotipos causaron sensación. Para crearlos, Daguerre primero cubría una lámina de cobre con una sal de plata –yoduro de plata primero, posteriormente bromuro de plata–, y luego la exponía a la escena a registrar. En las zonas expuestas a la luz, parte de la plata se reducía a plata metálica en un proceso mucho más rápido que el endurecimiento del betún de Niépce –unos 30 minutos en vez de ocho horas–. Posteriormente se situaba la placa sobre mercurio caliente, de modo que el vapor de mercurio formaba una amalgama con la plata y se adhería a la placa metálica; finalmente, se disolvían las sales de plata que no habían sufrido ningún cambio químico, y se tenía un registro visual de la escena daguerrotipada.

El principal avance de Daguerre, el menor tiempo de exposición, supuso que uno de sus daguerrotipos contenga la primera imagen registrada directamente de un ser humano. Claro, media hora es bastante tiempo, pero en una de sus imágenes de 1838 del Boulevard du Temple, en París, el francés tuvo la fortuna de que, mientras exponía su placa a esa calle parisina, un transeúnte decidiese utilizar los servicios de un limpiabotas. La limpieza de las botas duró lo suficiente para que ambos, limpiador y limpiado, quedaran inmortalizados para siempre.

Boulevard du Temple (1838).

Posteriormente se desarrollarían métodos más eficaces que el de Daguerre, que obtenían negativos que luego se revelaban para producir la fotografía propiamente dicha, pero no quiero detenerme en eso, porque la base físico-química de todo el asunto es la misma que en el caso de los dos franceses Niépce y Daguerre: el cambio químico de una sustancia fotosensible. Sin embargo, aunque con los años se fue disminuyendo más y más el tiempo de exposición requerido, haciendo de la fotografía algo mucho más práctico, los sistemas posteriores seguían teniendo una limitación fundamental, idéntica a la de las heliografías y daguerrotipos.

Una sustancia fotosensible como el betún disuelto o las sales de plata podía no sufrir cambios –si no era expuesto a la luz o se correspondía con una zona oscura de la escena fotografiada–, sufrir cambios limitados si la intensidad luminosa no era grande, o sufrir un cambio muy notable si la intensidad era grande; idealmente, esto sucedía de manera razonablemente rápida y tenía una gradación suficiente para producir muchos matices entre la oscuridad total y una intensidad luminosa enorme… pero eso era todo. Se producían imágenes registradas en tonos de gris, es decir, lo que solemos llamar “en blanco y negro”. No había manera, si no se estrujaba uno la cabeza, de conseguir no sólo grados entre oscuridad y luz, sino calidades de luz, es decir, distinguir longitudes de onda para reproducir lo que realmente ve el ojo humano. Y a eso se dedicaron otros pioneros desde bastante pronto en la historia de la fotografía.

Existen varias maneras de obtener fotografías en color, pero la más evidente, la primera en ser planteada y la que, básicamente, utilizamos hoy en día, es lo que voy a denominar aquí fotografía tricrómatica para contraponerla a la maravillosa de Lippmann, de la que hablaremos en un momento. El primero en proponerla fue el genio escocés James Clerk Maxwell en 1855, pero muchos otros tuvieron la misma idea, parece que de manera independiente, en años posteriores.

Maxwell había estado estudiando, entre muchísimas otras cosas relacionadas, el fenómeno de la visión. Thomas Young había ya postulado a principios del siglo la existencia de tres tipos de fotorreceptores en nuestra retina, y Hermann von Helmholtz refinó la idea a mediados de siglo, de modo que Maxwell conocía bien la existencia de los tres tipos de receptores. Supongo que conoces más o menos de qué va este asunto, pero si no es así, puedes echar un ojo a la entrada sobre la visión de los toros, en la que abordamos la cuestión de la visión en color en algo más de detalle.

El caso es que Maxwell se planteó la siguiente posibilidad: a pesar de que los compuestos fotosensibles utilizados en fotografía sólo pueden responder a la intensidad de luz, y no su longitud de onda, sería posible fotografiar una escena no una vez, sino tres. Superponiendo un filtro de cada longitud de onda a la que tienen su sensibilidad máxima nuestros fotorreceptores, podríamos obtener tres fotografías en rojo, verde y azul, de modo que cada punto de la fotografía registraría algo parecido a lo que registrarían nuestros conos al ver la misma imagen. Si luego se superponían las tres placas fotográficas, como si fueran diapositivas semitransparentes, y una persona las miraba, vería otra vez la combinación de intensidad relativa de los tres colores primarios sobre cada punto, reproduciéndose así la imagen fotografiada, con sus colores, en el ojo.

El método de Maxwell no registraba, por tanto, todas las longitudes de onda de la escena, sino sólo tres, una nimiedad comparado con el total… pero una nimiedad suficiente para nuestro ojo, ya que funcionamos básicamente de la misma manera. Al ser nosotros seres tricrómatas, la “fotografía tricrómatica”, aunque no registre toda la información cromática de la escena, nos basta de sobra. El caso es que, aunque parece que la sugerencia del buen escocés fue olvidada en poco tiempo, en los años posteriores muchos otros tuvieron la misma idea –porque es de cajón, y no hace falta ser James Clerk Maxwell para que se te ocurra–, y diversos intentos de llevarla a cabo con mayor o menor éxito se fueron produciendo.

Al principio, claro, los fotógrafos hacían exactamente eso: tomar tres fotos diferentes de la misma escena con cámaras equipadas con filtros. Uno de los avances más obvios, ideado por el alemán Adolf Miethe, fue emplear una sola cámara con placas y filtros sobre rieles, de modo que pudiera bajarse la “placa que fotografiará el verde” junto con el filtro verde, ¡zas!, foto, luego subir ese y bajar el azul, luego el rojo, y así conseguir las tres fotografías en el menor tiempo posible. Porque el problema al principio, claro, es que si algo se movía entre una foto de un color y otra de otro, todo quedaba fatal…

Alim Khan, Emir de Bukhara, fotografiado por Prokudin-Gorskii, con las tres fotografías en cada longitud de onda a la derecha (1911).

De hecho, a principios del siglo XX un discípulo de Miethe, el ruso Sergei Mikhailovich Prokudin-Gorskii, se dedicó a recorrer el Imperio Ruso y documentar gráficamente sus viajes con fotografías tricromáticas, absolutameente maravillosas, aunque requiriesen, por supuesto, de un largo tiempo combinado de exposición, con lo que sólo se pudieran fotografiar personas que estuvieran posando cuidadosamente. Para llegar a la fotografía en color actual hacía falta tomar las tres fotos “a la vez”, claro… y eso es algo que lograron los hermanos Lumière con su Autocromo.

El Autocromo Lumière fue patentado por los geniales hermanos franceses en 1903, y aunque no me gusta tanto como el sistema ideado por nuestro héroe de hoy –a quien te prometo que llegamos en un par de párrafos, ¡paciencia!–, es innegable su genio. En vez de exponer tres placas fotográficas con sendos filtros a la escena a fotografiar, con el error inevitable que eso supone si algo se mueve entre unas y otras, los Lumière empleaban una sola placa y una sola fotografía en vez de tres.

Los hermanos empleaban una lámina de vidrio y una sal de plata… hasta aquí, nada sorprendente. Ahora bien, entre el vidrio y la plata interponían una capa de gránulos de almidón coloreados. Alrededor de un tercio de ellos estaban tintados de rojo anaranjado, otro tercio de azul violáceo y otro tercio de verde, y estaban mezclados aleatoriamente, de modo que la superficie del vidrio quedaba cubierta por una mezcolanza de minúsculos granitos de los tres colores. ¿Ves el genio de los franceses? Al tomar una fotografía, la luz debía atravesar los gránulos de almidón antes de llegar al sustrato químico que registraría la imagen, con lo que cada punto de la fotografía tenía su propio filtro minúsculo: dependiendo de qué gránulo tuviera delante, registraba la intensidad relativa de un color u otro.

Gránulos de almidón del Autocromo vistos al microscopio.

Dicho de otro modo, cada punto era realmente una fotografía monocromática, pero todos juntos eran una mezcla de la misma escena fotografiada en tres longitudes de onda diferentes. Al mirar luego la placa a través de la misma lámina con los mismos gránulos de almidón, el ojo percibía cada punto de un color determinado, y todos juntos producían una imagen en color maravillosa en la que se había registrado la información de los tres colores de manera simultánea, a diferencia de las fotografías de Miethe y Prokudin-Gorskii que los guardaban secuencialmente.

Margate Beach, autocromo de John Cimon Warburg (c. 1908).

El método de los Lumière se emplearía durante unas décadas hasta ser sucedido por otros que llevarían hasta la fotografía moderna. Como puedes ver, la fotografía tricromática venció, pues partía de una idea simple y eficaz, y era fácil de producir y, eventualmente, de copiar. Pero existía otro modo de producir color sin utilizar pigmentos de ningún tipo, ni filtros, ni nada parecido, con una sola fotografía… mas, ¡ay!, para dar con ese otro modo hacía falta saber mucha, mucha Física y, sobre todo, mucha teoría ondulatoria de la luz, una disciplina aún en ciernes. Volvamos, pues, unos años atrás, para conocer la otra rama de la fotografía en color.

Tenemos que retroceder hasta mediados de siglo y hasta investigaciones bien diferentes de las de Daguerre y compañía, ya que los descubridores de este “segundo método” de producir fotografías en color no estaban intentando eso en absoluto: se trató, como tantas otras veces, de pura suerte. El físico francés Alexandre-Edmond Becquerel –padre de un viejo conocido de esta serie, Antoine Henri Becquerel– se encontraba entonces realizando estudios de fotoquímica, es decir, cambios químicos producidos en distintos compuestos al exponerlos a la luz. Fue así como, por cierto, descubrió el fenómeno fotovoltaico que utilizamos hoy en día en las placas solares de ese nombre pero, como siempre, me voy por las ramas.

Becquerel estaba utilizando láminas de plata cubiertas con una capa de cierto grosor de una sal del mismo metal, cloruro de plata (AgCl), exponiéndolas a la luz. Al exponer estas láminas ante una escena determinada, el francés observó que no sólo se producían cambios químicos en la sal, sino que sobre la lámina aparecían los colores de la escena frente a la lámina. Sin embargo, cuando la lámina se llevaba a otra parte, o se dejaba de exponerla a la luz, los colores cambiaban o desaparecían — no se trataba de algo permanente. Becquerel no supo explicar la razón de este extraño fenómeno, ni consiguió hacer permanente el cambio.

Aunque otros físicos intentaron, en los años posteriores, explicar la razón de que apareciesen colores sobre las láminas de Becquerel, la cosa no estaba nada clara y, sobre todo, no parecía posible emplear el fenómeno para nada práctico. Hasta que, por supuesto, un individuo de inteligencia tan aguda como sus bigotes hizo su aparición en escena, levantó sus tupidas cejas y se puso a pensar en el asunto en 1886.

Gabriel Lippmann (1845-1921).

Gabriel Lippmann era por entonces profesor de Física en la Sorbonne de París, y acababa de ser nombrado miembro de la Académie des sciences francesa. Se trataba de un tipo interesado prácticamente en casi todo; entre otras cosas, ideó un electrómetro que empleaba el fenómeno de la capilaridad para detectar diferencias de potencial tan minúsculas que se empleó en el primer aparato de electrocardiograma de la historia, además de un dispositivo para observar los astros durante largo tiempo que compensaba el movimiento de rotación de la Tierra, de modo que los objetos en el firmamento mantuviesen su posición relativa durante horas.

Como puedes ver por sus descubrimientos, no se trataba de un físico teórico que se plantease responder a preguntas fundamentales sobre la naturaleza del Universo: era un tío práctico, que se proponía resolver un problema y aguzaba el ingenio hasta hacerlo así. En lo que a nosotros respecta en este artículo, el problema que intentaba resolver era el de registrar el espectro de la luz solar, con todas sus longitudes de onda, sobre una lámina fotográfica. Lippmann no deseaba conseguir una imagen tricromática, sino una imagen realmente multicromática, es decir, que registrase todas las longitudes de onda, no sólo algunas.

Para ello, el físico se fijó en los experimentos de Becquerel, y se puso a trabajar en dos aspectos fundamentales: por un lado, comprender cómo se habían formado los colores que veía el francés y, por otro, cómo conseguir fijar esos colores de manera permanente. Afortunadamente para él, en los años transcurridos entre el descubrimiento de Becquerel y 1886 la comunidad científica había alcanzado un conocimiento parcial de lo que sucedía en aquellas láminas coloreadas, y parecía claro que la interferencia tenía algo que ver. Lippmann avanzó aún más en el entendimiento del fenómeno, y en unos años alcanzó una respuesta que, si eres fiel seguidor de El Tamiz, seguro que te suena.

Lo que sucedía, de acuerdo con el luxemburgués, era que la luz estaba produciendo un cambio químico sobre el cloruro de plata, de un modo parecido al de las placas fotográficas normales, pero la luz no incidía sobre la capa de sal una vez, sino dos. La luz penetraba en la capa de AgCl, luego se reflejaba en la lámina de plata metálica que había detrás y que actuaba de espejo, y luego volvía a salir otra vez a través de la capa de AgCl. Pero mientras volvía tras reflejarse, se encontraba con la luz que estaba entrando en la lámina antes de rebotar: la luz estaba interfiriendo consigo misma, es decir, se estaban produciendo ondas estacionarias en la capa de sal.

Creo que la primera vez que hablamos de ondas estacionarias en El Tamiz fue al estudiar el pozo de potencial infinito pero, por si no leíste aquel artículo (no se trata de algo que pueda leerse sin bucear antes en otros, con lo que no doy por sentado que lo hagas), permite que te dé una breve explicación de este fenómeno ondulatorio. Cuando una onda se refleja en alguna parte y vuelve por donde vino, interfiere consigo misma. Como consecuencia, en algunos puntos se produce una interferencia constructiva, mientras que en otros hay una interferencia destructiva. De estos dos tipos de interferencia sí hemos hablado ya en esta misma serie al hacerlo de A. A. Michelson, con lo que no repito aquí los conceptos.

Onda estacionaria (en negro), resultado de la interferencia entre la onda incidente (azul) y la reflejada (roja).

El caso es que hay puntos, denominados nodos, en los que la interferencia es destructiva y no hay luz de ningún tipo. En esos puntos, por tanto, la capa de sal permanece intacta y no se produce ningún cambio químico en ella; por el contrario, en las crestas en las que la interferencia es constructiva, la intensidad luminosa será el doble que la inicial, debido a la suma de la onda incidente y la reflejada. Y la distancia entre un nodo y el siguiente (o entre una cresta y la siguiente) es la mitad de la longitud de onda de la onda inicial. Todo esto puede sonar a trabalenguas, pero el quid de la cuestión es el siguiente: en la lámina se forma una especie de “libro” con “hojas” alternas, paralelas, en las que hay plata metálica en una y no en la siguiente, sí en una y no en la siguiente, etc., y la distancia entre una hoja y la siguiente idéntica a ella es la mitad de la longitud de onda inicial.

Como ves, a diferencia de una placa fotográfica normal, hace falta pensar en tres dimensiones: sí, en unos puntos de la lámina habrá más luz que en otros y la exposición de la sal será mayor, pero además, para cualquiera de esos puntos, habrá una serie de “sub-puntos” dentro de la capa de sal en los que ha habido una mayor y menor exposición alterna. Pensemos en esto en términos de información de la imagen: la información de luz/sombra está ahí, igual que en las fotografías normales, en el hecho de que un punto sobre la superficie ha recibido más o menos luz. Pero, además, en las placas de Becquerel –y luego en las de Lippmann– hay una dimensión de información adicional — la distancia entre las “hojas” con puntos de luz y sombra alternos almacena la longitud de onda recibida, es decir, el color de la luz que incidió sobre la lámina.

Es más, ¡esta información está almacenada para cada color que incide sobre la lámina simultáneamente! Si nos fijamos en un punto determinado de la lámina, cuando éste recibe luz de varias longitudes de onda diferentes, unas no interfieren con otras –pues sus longitudes de onda son distintas–, pero cada una interfiere consigo misma tras reflejarse en la lámina, produciendo así su propia onda estacionaria. Si sobre un punto de la lámina incide luz de veinticinco longitudes de onda distintas, se producirán veinticinco series de “hojas” de luz y sombra –es decir, de mayor y menor cambio químico–, cada una de las cuales almacena la información sobre su longitud de onda particular.

Gabriel Lippmann en el laboratorio.

Una vez Lippmann hubo comprendido esto, se dedicó a intentar mostrar de nuevo esa información cromática almacenada en la lámina y a almacenarla de manera permanente. Registrarla permanentemente requería, básicamente, realizar un proceso de revelado que asegurase que el cambio químico producido no se volviera a deshacer al dejar de recibir luz, lo cual requirió de varios intentos con distintas sustancias y sustratos químicos. La visualización era, sin embargo, enormemente fácil: tan fácil que el propio Becquerel, sin comerlo ni beberlo, había visto los colores en sus propias láminas a pesar de no estar intentándolo.

El fenómeno se parece bastante, como seguro que recuerdas si eres un viejo del lugar, a cómo se ve un holograma. Cuando se hace incidir luz blanca sobre la placa de Lippmann –porque así se llaman estas placas, por supuesto–, la luz penetra en la lámina, se refleja en el metal que hay detrás y luego sale otra vez hacia tu ojo… pero no antes de toparse con las “hojas” alternas dejadas allí por el proceso de exposición original. Lo que pasa entonces, como sucede en un holograma, es que lo mismo que el patrón de interferencia produjo un patrón de cambios químicos sobre el sustrato, ahora el patrón físico sobre el sustrato produce un patrón de interferencia en la luz.

Al volver a tu ojo, la luz ya no es blanca: en cada punto de la lámina, sólo la luz que tenía la longitud de onda adecuada –la que coincidía con la correspondiente a las “hojas de luz y sombra” originales– vuelve a salir hacia tu ojo, con lo que en cada punto ves luz de las mismas longitudes de onda que produjeron el patrón de cambios químicos sobre la placa de Lippmann. En otras palabras, estás viendo de nuevo los mismos colores que recibió la placa al tomar la fotografía; al menos, idealmente, ya que en la práctica el bueno de George no tenía los medios físicos y químicos para conseguir el ideal, pero sí el mecanismo teórico para conseguirlo.

Loro, una de las primeras placas de Lippmann (1891).

Cinco años después de empezar a trabajar en ello, Lippmann produjo sus primeras placas en color. Los resultados pueden no parecer demasiado espectaculares, pero la relevancia del descubrimiento es extraordinaria. En 1891 anunció su logro a la Academia francesa, aunque seguiría perfeccionando el sistema durante años y, por supuesto, en 1908 recibiría el Premio Nobel de Física en honor a su descubrimiento.

Fíjate en dos cosas importantes: en ningún momento hemos hablado de pigmentos, ni tintes, ni filtros, ni nada. No hay “tinta de colores” ni nada parecido en la placa de Lippmann, sino que su estructura física microscópica –pues las longitudes de onda involucradas son minúsculas– hace que la luz blanca que llega a ella salga sólo en determinadas longitudes de onda. En esto se diferencia del Autocromo de los Lumière –que, por cierto, colaboraron con él para mejorar el sistema de Lippmann y producir mejores colores y mayor resolución– y de casi cualquier otro sistema de producir fotografía en color posterior.

Naturaleza muerta (entre 1892 y 1899).

Pero más importante aún es la segunda diferencia: el método de Lippmann no registra los colores “como los ve el ojo”, sino “como son de verdad”. Dicho de otro modo, no es fotografía tricrómata, sino multicrómata, y todas las longitudes de onda son almacenadas, no sólo tres. Aunque cuando la mires con tu ojo la imagen se parezca mucho a la de una fotografía contemporánea de ella en tres colores, la cantidad de información almacenada en una placa de Lippmann es enormemente mayor.

¿Por qué, entonces, seguramente nunca has oído hablar del pobre Lippmann? Pues porque sus placas tenían un par de problemas prácticos enormes. Por una parte, los tiempos de exposición a finales del siglo XIX para las fotografías “convencionales” eran ya muy cortos, y era posible tomar retratos de personas sin que tuvieran que posar durante mucho tiempo. Sin embargo, las placas de Lippmann requerían más tiempo: unos 15 minutos al principio, reducidos hasta alrededor de un minuto cuando recibió el Nobel. Harían falta mejoras que redujesen este tiempo de exposición necesario aún más; en palabras del propio Lippmann,

Sin embargo, aún queda por perfeccionarse [este sistema] en algunos aspectos. El tiempo de exposición (un minuto a la luz del Sol) es aún demasiado largo para un retrato. Era de quince minutos cuando empecé mi trabajo. El progreso puede continuar. La vida es corta y el avance lento.

El segundo problema es muy parecido al de los hologramas: debido al mecanismo de formación de la imagen al mirar una placa de Lippmann y al hecho de que los cambios químicos sobre la placa tienen una estructura tridimensional, con profundidad, son casi imposibles de copiar. Esto, seguramente más que la razón anterior, hizo que pronto se abandonase el método del luxemburgués en favor de los convencionales, y que este genio experimental quedase un poco olvidado. Sin embargo, al igual que los hologramas tienen valor práctico precisamente por la dificultad de copiarlos, tal vez se utilicen algún día imágenes de Lippmann como medidas de seguridad.

Saint Maxime (entre 1891 y 1899).

Los paralelismos entre los hologramas y las placas de Lippmann, por cierto, no acaban aquí. Una vez logró su propósito de registrar el espectro luminoso “completo”, este físico se planteó otro problema práctico: almacenar la imagen desde varios puntos de vista, de modo que al mirarla, por efecto de paralaje, el espectador pudiera percibir profundidad. El método que sugirió Lippmann era utilizar una multitud de pequeñas lentes que tomasen la imagen desde diversos puntos, pero no me dirás que no es interesante el hecho de que los hologramas resolvieran precisamente este problema.

El ideal de fotografía de Lippmann, por tanto, sería una “imagen completa” en cuanto al almacenaje de información sobre la escena se refiere: sus placas eran completas en cuanto a las longitudes de onda, mientras que nuestros hologramas lo son en cuanto a los puntos de vista. ¿Es posible combinar ambas técnicas para registrar una escena en todas sus longitudes de onda y desde todos los puntos de vista? El resultado sería impresionante, un almacenaje completo de la información visual de un lugar o un objeto. Tal vez algún día…

Como siempre, aquí tenéis el discurso de entrega del Premio, pronunciado el 10 de diciembre de 1908 por K. B. Hasselberg, por entonces Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

La Real Academia Sueca de las Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Física de 1908 al Profesor Gabriel Lippmann de la Sorbona por su método, basado en el fenómeno de la interferencia, que permite la reproducción de color en fotografía.

Antes incluso de 1849, cuando el arte de la reproducción fotográfica fue descubierto por esos pioneros de la Ciencia, Niepce, Daguerre, Talbot y otros, el problema de cómo registrar y fijar colores sobre una placa fotográfica estaba ya presente. Parecía que la respuesta estaba cerca cuando Edmond Becquerel mostró que una lámina de plata cubierta con una fina capa de cloruro de plata se coloreaba bajo la acción de la luz, con un color que se correspondía con el color de la luz utilizada. Esta observación no fue más allá. Becquerel no disponía de una explicación para el origen de los colores, ni consiguió un medio de fijarlos sobre la lámina. En poco tiempo desaparecían, con lo que su método, desprovisto de un uso práctico, no consiguió la atención que sin duda merecía.

Una explicación del origen de las imágenes en color de Becquerel fue proporcionada en 1868 por el alemán Wilhelm Zenker, y fue llevada más allá por el ganador del Premio Nobel, Lord Rayleigh. De acuerdo con esta explicación, los colores se deben a ondas de luz estacionarias que, mediante una acción química, forman gránulos de plata metálica a partir del cloruro de plata. El color es un fenómeno de interferencia producido por la reflexión de la luz sobre esta capa de plata.

El fenómeno se convirtió entonces en uno de interés teórico. Si podía confirmarse esta hipótesis, el trabajo de Becquerel nos proporcionaría más pruebas sobre la veracidad de nuestro concepto de luz considerada como el resultado de un movimiento vibratorio, ya que uno de los fenómenos fundamentales del movimiento vibratorio –la onda estacionaria– se habría verificado en el caso de la luz. Sin embargo, no fue hasta 1890 que Otto Wiener, mediante un experimento particularmente cuidadoso, consiguió pruebas concluyentes de que la hipótesis de Zenker era correcta.

Era entonces posible reproducir imágenes con colores más o menos exactos, pero no estables. También se había encontrado una explicación para el origen de estas imágenes. Aún no era el momento de hablar de la reproducción fotográfica de objetos con colores y de su fijación. Así estaban las cosas cuando el Profesor Lippmann, en 1891, comunicó a la Academia Parisiense de las Ciencias su trabajo sensacional sobre fotografía en color.

Las características principales del método de Lippmann son, sin duda, bastante bien conocidas. Se cubre una lámina de vidrio con una capa sensible a la luz, formada por una emulsión de gelatina, nitrato de plata y bromuro potásico. Sobre esta capa fotosensible se añade otra capa de mercurio, que forma un espejo. Esta lámina se expone dentro de una cámara oscura de manera que el lado de vidrio [el lado de la lámina que no ha sido cubierto con nada] se enfrenta al objetivo. Durante la exposición, la luz atraviesa primero el vidrio, luego penetra en la capa de la emulsión y finalmente se encuentra con la superficie reflectante del mercurio, que la devuelve hacia atrás.

La onda de luz incidente y la reflejada forman lo que se denominan ondas estacionarias, caracterizadas por una serie de máximos y mínimos de iluminación, separados unos de otros por media longitud de onda de la luz incidente. Una vez que se revela la placa, se fija y se seca mediante los procesos normales, se encontrarán en la lámina de gelatina planos de plata reducida cuyas distancias entre sí dependen de la longitud de onda — es decir, del color de la luz que produjo la imagen. Supongamos que se hace incidir luz blanca de la manera normal sobre una lámina fotográfica como las que acabamos de describir [después de haberla revelado, es decir, cuando ya tiene la fotografía fijada en ella]. El rayo será reflejado por los diferentes planos de plata y, siguiendo las leyes de la interferencia de la luz en láminas finas ya conocidas, la lámina aparecerá coloreada — y el color será el mismo que el de la luz que generó la impresión fotográfica original.

La reproducción de los colores se está llevando a cabo, por tanto, de la misma manera que sucede en las burbujas de jabón y las láminas delgadas en general, con un reforzamiento adicional del fenómeno por la existencia de planos sucesivos. El efecto del color en los experimentos de Lippmann no aparece, por tanto, como consecuencia de la existencia de pigmentos. Tenemos que conformarnos con lo que se denominan colores virtuales, inalterables en su composición y vívidos mientras la placa fotográfica esté intacta. Así, las fotografías de Lippmann salen favorecidas al compararlas con intentos posteriores de resolver el problema de la reproducción del color –las fotografías de los Lumière–, así llamadas fotografías de tres colores, obtenidas utilizando pigmentos, un descubrimiento extraordinario que, debido a lo simple del método involucrado, ha obtenido una gran popularidad bien merecida.

Una simple mirada a los trabajos de ilustración de nuestros días, tanto en el dominio de la ciencia como en el del arte y la industria, es suficiente para mostrar la importancia de la reproducción fotográfica en nuestros días. La fotografía en color de Lippmann supone otro paso adelante, de gran importancia, en el arte de la fotografía, ya que su método ha sido el primero en proporcionarnos los medios para mostrar a la posteridad, mediante imágenes inalterables, no sólo la forma de un objeto con sus luces y sombras, sino también sus colores.

A través de sus constante esfuerzo dirigido hacia este fin, y de su comprensión completa de todos los recursos que puede ofrecer la Física, el Profesor Lippmann ha creado este elegante método de obtener imágenes que combinan la estabilidad con el esplendor del color. La Real Academia de las Ciencias ha considerado este logro digno del Premio Nobel de Física de 1908.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Física de 1908
• Discurso de Gabriel Lippmann
• Gabriel Lippmann / Gabriel Lippmann

Os traigo hoy la contrapartida al Premio Nobel de Física de 1907 con el que conocimos algunos de los logros menos famosos de A. A. Michelson, pero no por ello menos importantes (como veremos en unas semanas al hablar de una aplicación muy interesante de los conceptos utilizados en su interferómetro). Esta vez haremos lo propio con el Premio Nobel de Química del mismo año, otorgado al bávaro Eduard Buchner (a la izquierda), en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por sus investigaciones bioquímicas y su descubrimiento de la fermentación no celular.

Se trata, como ha sucedido otras veces en esta misma serie, de una descripción que tal vez te deje frío al principio, pero el descubrimiento de Buchner es de una relevancia extraordinaria, no ya sólo para la Química, sino para la ciencia y nuestra concepción de la vida y de nosotros mismos. Y no es un descubrimiento aislado, sino que forma parte de una tendencia que hemos mencionado varias veces en artículos anteriores al hablar de premios en Química. Buchner consiguió uno de esos pasos tras los cuales no hay marcha atrás, que callan muchas bocas y cambian paradigmas… y lo hizo, dicho mal y pronto, haciendo vino. ¿He despertado al menos tu curiosidad?

Para comprender el “¡zas, en toda la boca!” a ciertas ideas anteriores propinado por el descubrimiento de Buchner hace falta antes, como nos pasa tantas veces en esta serie, retroceder en el tiempo para ser conscientes de cómo eran las cosas cuando llegó el alemán. La cuestión es que hay cosas que hoy en día nos sorprenden poco y nos parecen obvias, pero que hace tiempo no eran tan evidentes; no sólo eso — algunas eran tan controvertidas que las principales eminencias científicas las consideraban una estupidez.

Durante casi toda la historia de la ciencia, hubo una distinción radical entre los procesos biológicos y todos los demás. Desde Aristóteles en adelante se consideraba que las leyes simples que rigen casi todo el Universo no son aplicables a los seres vivos, sino que éstos son “algo diferente”. El comportamiento de plantas y animales y los procesos biológicos se consideraban algo casi milagroso, y se pensaba que todo lo relacionado con los seres vivos se debía a la “fuerza vital” que había en ellos. Hoy en día conocemos esta concepción como vitalismo. Si has seguido esta serie hasta ahora –especialmente en los Premios de Química– sabes exactamente a lo que me refiero, porque este vitalismo científico se fue desmoronando durante el siglo XIX y ya hemos visto ejemplos de ello.

Observa que digo vitalismo científico, y no vitalismo a secas, porque el vitalismo sigue vivo, aunque no en círculos científicos. Lo siento si me pongo pesado a veces, pero no puedo evitarlo: amo la Ciencia. No porque sea perfecta, ni muchísimo menos –estamos hablando ahora, precisamente, de una concepción científica absolutamente falsa y que se sostuvo milenios–, sino precisamente porque es consciente de que no lo es, y los hechos y la experimentación son los que mandan incluso cuando no nos gusta el resultado. Y, si no, que se lo pregunten a Wöhler (a la derecha).

El “milagro de la vida”, cualitativamente diferente del Universo no vivo, tenía como consecuencia el hecho de que las sustancias orgánicas eran absolutamente independientes de las inorgánicas, ya que era imposible generar la “fuerza vital” a partir de lo no vivo. Sin embargo, en 1828 el alemán Friedrich Wöhler consiguió producir urea (un compuesto hasta entonces únicamente producido por los seres vivos) a partir de moléculas inorgánicas, algo absolutamente contrario no sólo a lo que el propio Wöhler –y prácticamente todo el mundo– pensaba, sino a la manera en la que consideraba que “debían ser las cosas”. En palabras de Wöhler, al mirar los cristales de urea que había producido, estaba siendo testigo de “la gran tragedia de la ciencia, la destrucción de una bella hipótesis por un feo hecho”. Pero esa “tragedia”, en mi opinión, no es otra cosa que la grandeza de la ciencia: y el propio Wöhler, aunque no le gustara la conclusión, no se aferró a su idea preconcebida, sino que aceptó la bofetada que la realidad acababa de dar a su concepción de la vida. Pero me voy por las ramas.

El caso es que el vitalismo científico no murió con la producción de urea de Wöhler, ni mucho menos. Seguía habiendo muchos fenómenos incomprensibles mediante la química, y la mayor parte de los científicos seguían considerando una barrera insuperable entre lo vivo y lo no vivo. Si llevas mucho tiempo con nosotros has leído ya sobre Louis Pasteur y su demostración de la inexistencia de la generación espontánea aristotélica, con la que hizo avanzar muchísimo la ciencia de la época y, sobre todo, la antisepsia. ¡Qué irónica es la vida! Pasteur demostró empíricamente que un caldo en el que no había vida no la producía espontáneamente — a partir de lo no vivo no aparecía vida. Esto era cierto, desde luego, pero el francés lo llevó hasta un grado erróneo –Pasteur era, como casi todos, vitalista–.

Pasteur en su laboratorio. Cuadro de Albert Albert Edelfelt, 1885.

Como dijimos en aquel artículo, Pasteur demostró que la fermentación no era un proceso químico independiente de la vida, sino que estaba producido por organismos vivos, ¡una vez más, separación entre vida y no vida! Pero, eso sí, el francés era un científico de primera, con lo que no se contentó con esto: intentó producir la fermentación sin la presencia de células vivas, pero no tuvo éxito. Su conclusión, una vez más vitalista, fue que las fermentaciones eran un ejemplo de procesos no regidos por la química, sino por la “fuerza vital” de las células, ya que sin esa fuerza vital, la fermentación no se producía. Era inútil, por tanto, tratar de estudiar esos procesos químicamente, ya que la vida se escapaba a los límites de la química. Todo esto, por supuesto, es falso, pero Pasteur era Pasteur, y su opinión tenía un gran peso.

Y aquí entra en escena, por fin, Eduard Buchner; nació en la capital de Bavaria, Munich, en 1860, unos treinta años después de que Wöhler fuera testigo de la “tragedia de la ciencia”. Creo que gran parte de la culpa de que Buchner ganara el Nobel la tuvo su hermano mayor Hans, un conocido bacteriólogo de la época: fue gracias a él, tras la muerte de su padre, que Eduard pudo estudiar Química en la Politécnica de Munich y, como veremos en un momento, siguió siendo su mentor y lo ayudó mucho a seguir sus sueños. En la Politécnica, Eduard Buchner estudió en el laboratorio de Erlenmeyer, y posteriormente bajo Alfred von Baeyer, quien ya ha hecho su aparición en esta misma serie ya que ganó el Nobel de Química sólo dos años antes que Buchner.

Eduard Buchner (1860-1917).

Sin embargo, Buchner amplió sus conocimientos estudiando también las ciencias biológicas, especialmente botánica en el Instituto Botánico de Munich. Allí fue donde empezó a estudiar la fermentación, un fenómeno que empezaba por entonces a conocerse: no fue hasta 1838 que se demostró que la fermentación de la levadura era un proceso biológico, y Pasteur mostró en las décadas de 1850-60 que muchos otros fenómenos de fermentación, como la del ácido láctico en la leche, estaban causados por organismos vivos, como bacterias. Inicialmente, las investigaciones de Buchner fueron “al uso”, es decir, separando claramente la parte química de la parte biológica, pero ya publicó, bajo la tutela de su hermano Hans, su primer artículo sobre el asunto,“Der Einfluss des Sauerstoffs auf Gärungen” (“La influencia del oxígeno en las fermentaciones”) en 1885.

Unos años más tarde, Buchner se doctoró en la Universidad de Munich y obtuvo un puesto allí, en el laboratorio de von Baeyer –quien parece también haber apoyado mucho, como Hans, al joven Buchner–. Con la ayuda de von Baeyer, en 1893 el joven Eduard estableció su propio laboratorio de investigación sobre las fermentaciones… y empezó a intentar producirlas sin la presencia de células vivas, tratando de extraer los compuestos químicos relevantes de las células de levadura. ¡Anatema! La Universidad consideraba que esto era un esfuerzo inútil, ya que el gran Pasteur no había sido capaz de lograrlo, y le cortó las alas a Buchner. Durante tres años, Eduard no pudo seguir investigando lo que quería.

¿Quién consiguió que pudiera seguir su camino? ¡Hans, por supuesto! El Buchner mayor formaba parte del Consejo de Administración del Institut für Hygiene de Munich, y con su ayuda y la financiación del Instituto, Eduard Buchner pudo montar una vez más un laboratorio en 1896 y seguir sus intentos de extraer los fermentos de las células de levadura y producir así una fermentación sin la presencia de células vivas, algo imposible, claro, ya que la fermentación era una expresión de la fuerza vital de la levadura y se producía en el interior de la célula.

Pero lo consiguió.

Buchner utilizó células de levadura seca (seca por fuera, claro), que pulverizó junto con cuarzo y diatomita para romper las paredes celulares. Como consecuencia, la mezcla se volvía húmeda, ya que el interior de las células de levadura se vertía en ella al romperse las paredes. Posteriormente, Buchner empleó prensas para “exprimir” esta mezcla y tener así únicamente el líquido, sin restos de células –que estaban todas muertas en cualquier caso, al haberse roto las paredes, pero bueno–. Como resultado final del proceso, el bávaro tenía una especie de “jugo de levadura sin levadura”, en el que esperaba que se encontrarían la sustancia o sustancias químicas responsables de la fermentación.

A continuación, Buchner mezcló este líquido con las sustancias orgánicas que la levadura era capaz de fermentar, como distintos azúcares. Y la fermentación se produjo. Empezó a producirse dióxido de carbono, y tras la fermentación, los azúcares se habían convertido en alcoholes, exactamente igual que cuando las células de levadura realizaban el proceso, ¡pero sin las células!

Buchner había realizado, en un laboratorio, una reacción química considerada hasta entonces fuera del alcance de esta disciplina, ya que era parte del “milagro de la vida”. ¡Zas! En toda la boca. Pero, en términos algo más modernos, ¿qué había conseguido Buchner?

Saccharomyces cerevisiae al microscopio (dominio público).

Había partido de células de Saccharomyces cerevisiae, la levadura comúnmente empleada para fermentar cerveza y vino. Este hongo unicelular utiliza diversos compuestos para catalizar determinadas reacciones químicas que emplea en su nutrición, es decir, distintas enzimas. Una mezcla de ellas es la que convierte la glucosa (C₆H₁₂O₆) en etanol (C₂H₅OH), el alcohol del vino; ese conjunto de enzimas recibe el nombre de zimasa, y fue eso lo que Buchner extrajo al triturar la levadura y luego exprimir la mezcla. La reacción química viene a ser algo así:

C₆H₁₂O₆ + zimasa → 2C₂H₅OH + 2CO₂

El resultado es, por un lado, alcohol etílico (etanol), y por otro, dióxido de carbono. Y esta reacción es la que empleamos cuando queremos una cosa, la otra o las dos. Por ejemplo, en el caso de la cerveza, queremos ambas cosas, mientras que en el vino sólo queremos el etanol y nos libramos del CO₂. Tal vez te estés preguntando con todo esto, por cierto, por qué diablos no nos emborrachamos al comer pan, ya que la masa sube por esta misma reacción, que genera burbujas de CO₂… y bastante alcohol, claro. La razón es que el etanol tiene una temperatura de ebullición bastante baja, y en el horno se evapora prácticamente todo: en el pan, al final, no hay ni etanol ni dióxido de carbono, puesto que la razón de que empleemos levadura es simplemente “estructural” (ahuecar el pan con burbujas) y no nos interesan las sustancias formadas.

Pero la importancia del trabajo de Buchner va mucho más allá de la posibilidad de producir etanol de manera “artificial” (aunque fuera con enzimas procedentes de seres vivos): se trata, como en Premios de Química anteriores, del desmoronamiento de las barreras entre lo biológico y lo no biológico. Buchner continúa la desmitificación de la vida como misterio: no sólo porque, tras él, podamos explicar en términos químicos algo que antes se debía a la “fuerza vital”, sino porque lleva a la conclusión de que, incluso lo que no conocemos aún –en tiempos del propio Buchner, los detalles de la misma fermentación, que no se conocían–, podemos conocerlo. Hay una diferencia radical entre “no conocemos tal cosa aún” y “no podemos conocer tal cosa porque se escapa de los límites del conocimiento científico”.

Como sucedió en el caso del premio de Física, el Premio Nobel de Química no tuvo una ceremonia al uso debido a la muerte del rey Óscar de Suecia unos días antes, pero disponemos del discurso escrito, que hubiera sido leído por el Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, K. A. H. Mörner, el 10 de diciembre de 1907. Como siempre, te recomiendo que lo leas aunque se haga un poco pesado por el lenguaje:

El Premio Nobel de Química de este año ha sido otorgado al Profesor Eduard Buchner por su trabajo en la fermentación.

Durante mucho tiempo, tanto los químicos como los biólogos han considerado un logro particularmente significativo el hecho de conseguir abrir a la investigación química un nuevo tipo dentro de los procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos. Con cada paso en esta dirección, el carácter desconcertante de los procesos biológicos disminuye, mientras que por otro lado las leyes químicas adquieren una aplicación más amplia. Cada vez que el campo de investigación se expande en esta dirección, más estrecho se vuelve el territorio cuya frontera no podemos traspasar, ya que, como solía decirse, los fenómenos en ese territorio estaban gobernados por leyes especiales, no visibles aún para nosotros y controladas por un tipo particular de la llamada “fuerza vital”.

Durante mucho tiempo, los investigadores más preclaros en el campo de la química se han opuesto a la idea de que los procesos químicos en los seres vivos tengan una posición tan excepcional, y han otorgado por tanto su pleno reconocimiento a los trabajos de este tipo, ya que ofrecen un apoyo directo a sus posturas.

En este aspecto nosotros, en Suecia, nos sentimos obligados a hacer énfasis en las afirmaciones realizadas por Berzelius. Además de su actividad creativa en la química general, Berzelius estaba muy interesado en los procesos químicos en los organismos vegetales y animales. Respecto a éstos era de la opinión de que eran más complejos y más difíciles de comprender que las reacciones químicas independientes de los seres vivos. Sin embargo, de ningún modo se sumaba a la postura prevalente en la época de que su naturaleza era diferente y que, por tanto, deben seguir leyes completamente diferentes de los anteriores.

Berzelius tenía también especial predilección por tomar parte en el trabajo en este campo de la química cuando tenía tiempo. Daba gran importancia a los logros de otros. Como ejemplo de esto, recuerdo la respuesta de Berzelius a Wohler, cuando este último mencionó su desaliento al no haber sido el primero en descubrir el vanadio, un descubrimiento del que estuvo cerca pero que no consiguió realizar, ya que no completó el trabajo que había empezado. Berzelius lo consoló con palabras amistosas. Al mismo tiempo, señaló el mérito de Wohler en la explicación de la formación de sustancias orgánicas, algo por entonces aún en ciernes. Al referirse a un artículo de Wohler y Liebig que acababa de aparecer sobre el ácido ciánico y la urea, Berzelius afirmó que cualquiera que hubiera publicado algo así podría permitirse perfectamente no descubrir ningún elemento. Podría, escribe Berzelius, haber descubierto diez elementos desconocidos sin necesitar tanta genialidad como para producir el trabajo al que se refería.

Desde 1813, cuando se escribieron esas palabras, este campo se ha expandido enormemente en muchas direcciones; se ha descubierto que es posible retirar el velo que había cubierto hasta ahora los fenómenos de la vida orgánica. Así, un gran número de sustancias, que en la época en cuestión se suponía que podían ser producidas únicamente por organismos vivos, pueden ahora prepararse sintéticamente. Cuando nos referimos, sin embargo, a los procesos internos que tienen lugar durante la formación y conversión de estas sustancias en los organismos vivos, debemos admitir que nuestro conocimiento está muy lejos de ser completo. Es cierto que ya no se dice que los seres vivos estén gobernados por una “fuerza vital” especial, pero muy a menudo tenemos que conformarnos, incluso hoy en día, con otra expresión que, en su significado literal, no difiere mucho de la primera. Se dice frecuentemente en la actualidad que este proceso o aquél deben considerarse “fenómenos vitales” o “expresión vital” en ciertas células. Desgraciadamente, debemos reconocer el hecho de que, en esto, estamos fundamentalmente proporcionando un término en vez de una explicación más profunda. Es cierto, desde luego, que los territorios fronterizos en los que la investigación química intenta penetrar hoy día los fenómenos complejos y místicos relacionados con la vida están mucho más allá de donde estaban en 1813. Mientras tanto, sigue siendo un hecho que debemos un reconocimiento incondicional y considerable a los trabajos en el que este campo ha llevado la investigación química un paso más allá.

Esto es aplicable al trabajo que es objeto del Premio Nobel que nos ocupa; intentaré explicar de qué se trata en pocas palabras.

Durante mucho tiempo, los químicos han prestado gran atención a los fenómenos que hoy llamamos fermentación. Bajo este nombre incluimos un gran número de procesos químicos que tienen lugar en los organismos vivos, y por los que son de la mayor importancia. Normalmente se trata de procesos de descomposición en los que sustancias complejas se rompen bajo la influencia de agentes que llamamos fermentos. Estos fermentos actúan, por así decirlo, por su mera presencia. Sin ser transformados ellos mismos, causan determinados cambios en otras sustancias, y el efecto de cada fermento está limitado a una cierta sustancia o aun cierto grupo de sustancias. Una propiedad importante de los fermentos es el hecho de que bajo ciertas condiciones, como las que existen en los seres vivos, tienen una acción muy poderosa, mientras que en otras frecuente y fácilmente se vuelven ineficaces. Puesto que, por otro lado, con ayuda de la química, pueden producirse procesos químicos que se parecen a la acción de los fermentos –muchos ejemplos de lo cual están disponibles– a menudo sucede que, para este propósito, son necesarios agentes cuya naturaleza los hace completamente ajenos a, y a menudo incompatibles con, las condiciones en los seres vivos.

En los últimos tiempos, particularmente, el avance en nuestro conocimiento ha hecho probable que haya procesos fermentativos en un alto grado, que producen la transformación de las sustancias en los seres vivos y por tanto controlan esta condición de la vida. Igual que la ciencia química ha adquirido, durante el último siglo, un extenso conocimiento de la composición y estructura de las sustancias orgánicas, es esencial ahora un conocimiento profundo de la naturaleza y acción de los fermentos, de modo que esta ciencia pueda estar en posición de dominar las leyes de la formación y disociación de sustancias en el organismo.

Mientras tanto, conocemos estos fermentos hasta ahora sólo por los efectos que producen. Su naturaleza última y su constitución interna aún nos son desconocidas. Esperamos, sin embargo, que la solución a este enigma sea objeto de un futuro Premio Nobel.

Se han observado un gran número de fermentaciones. Esto sucede, por ejemplo, con los fermentos que existen en estado disuelto en las secreciones descargadas en el sistema digestivo y que ejercen tan gran influencia allí. Ha sido así posible obtener una experiencia empírica considerable acerca de estas fermentaciones.

Sin embargo, otro grupo de fermentaciones sólo se ha observado en presencia de células vivas. A este grupo pertenece, entre otras, la descomposición del azúcar en alcohol y dióxido de carbono, bajo la acción de levadura ordinaria. La conexión entre esta fermentación y la presencia de células vivas de levadura parecía tan irresoluble que este fenómeno de fermentación se consideraba una “expresión vital” de las células. Este proceso parecía, por tanto, inaccesible a una investigación más detallada.

Hasta Pasteur, esta postura era aceptada y generalmente adoptada en los círculos científicos.

El servicio inolvidable proporcionado por Pasteur fue mostrar que hay organismos vivos que originan la putrefacción y la fermentación y otros procesos de gran relevancia. Pasteur, que se distinguía no sólo por el genio de sus ideas sino también por un gran talento como experimentador, intentó también –especialmente en lo que se refiere a la fermentación del alcohol común– investigar la relación intrínseca entre el proceso y los organismos en este caso. En particular, trató de responder a la pregunta de si la fermentación del alcohol se debía fundamentalmente a un fermento producido por las células de levadura, en cuyo caso este fermento debe poder ser separado de ellas y funcionar independientemente de la presencia de células vivas de levadura. Sin embargo sus experimentos, como los de otros, sobre la existencia de un fermento soluble de este tipo dieron resultados negativos. Se consideró por tanto confirmada la opinión de Pasteur de que el proceso químico de la fermentación del alcohol era una expresión vital de las células de levadura y estaba, por tanto, inextricablemente unido a la vida. Esta opinión prevaleció durante décadas.

Por tanto, aunque Pasteur adquirió fama inmortal por su brillante descubrimiento sobre la relevancia de los seres vivos como la causa última de estos procesos, puso freno al progreso científico en este campo al establecer el concepto vitalista en el proceso de la fermentación. Mientras la fermentación se consideró una “expresión vital”, y por tanto un fenómeno inseparable de la vida, no había mucha esperanza de poder penetrar más profundamente en la cuestión de su mecanismo de acción. Debe además recordarse que esto es de gran importancia, ya que no sólo concierne a la fermentación alcohólica sino a un gran grupo de procesos muy importantes.

Bajo estas circunstancias, puede comprenderse fácilmente la gran sensación causada cuando E. Buchner, tras muchos años de trabajo, consiguió probar que la fermentación alcohólica podía producirse a partir de los jugos extraídos de las células de levadura, sin la presencia de dichas células. Demostró así de manera fehaciente que esta fermentación se debía a un fermento químico producido por las células de levadura, de las que podía separarse. La fermentación no es una expresión vital directa de las células de levadura; las células pueden destruirse, pero el fermento permanece.

A partir del trabajo de Buchner, la fermentación mencionada y otros procesos análogos se han liberado de los grilletes que los retenían y que impedían el progreso en la investigación. Hoy en día no se encuentra particular dificultad en obtener, a partir de las células de levadura y otras, una amplia variedad de sustancia celular activa independiente de células vivas. Se han realizado muchas investigaciones clarificadoras sobre sus propiedades, en parte por el propio Buchner y en parte por otros. Territorios hasta ahora inaccesibles han entrado ahora en el campo de la investigación química, y se abren vastas expectativas a la ciencia química.

También disponemos del discurso de Eduard Buchner, pronunciado el 11 de diciembre en la ceremonia privada en la que se le entregó el Premio, y puedes leerlo aquí: buchner.pdf.

En la próxima entrega de la serie, el Premio Nobel de Física de 1908.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Página oficial del Premio Nobel de Química de 1907
• Eduard Buchner / Eduard Buchner
• Fermentación alcohólica / Ethanol fermentation
• Vitalismo / Vitalism