Hans Albrecht Bethe ( pronunciación alemana: [ˈhans ˈbeːtə] ; 2 de julio de 1906 - 6 de marzo de 2005) fue unfísicoteórico que realizó importantes contribuciones ala física nuclear,la astrofísica,la electrodinámica cuánticayla física del estado sólido, y que ganó elPremio Nobel de Físicapor su trabajo en la teoría dela nucleosíntesis estelar.[1][2]Durante la mayor parte de su carrera, Bethe fue profesor en laUniversidad de Cornell.[3]
Durante la Segunda Guerra Mundial, fue jefe de la División Teórica del laboratorio secreto de Los Álamos que desarrolló las primeras bombas atómicas . Allí jugó un papel clave en el cálculo de la masa crítica de las armas y en el desarrollo de la teoría detrás del método de implosión utilizado tanto en la prueba Trinity como en el arma " Fat Man " lanzada sobre Nagasaki en agosto de 1945 .
Después de la guerra, Bethe también jugó un papel importante en el desarrollo de la bomba de hidrógeno , aunque originalmente se había unido al proyecto con la esperanza de demostrar que no se podía fabricar. Bethe más tarde hizo campaña con Albert Einstein y el Comité de Emergencia de Científicos Atómicos contra las pruebas nucleares y la carrera armamentista nuclear . Ayudó a persuadir a las administraciones de Kennedy y Nixon para que firmaran, respectivamente, el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares de 1963 y el Tratado de Misiles Antibalísticos de 1972 ( SALT I ).
Su investigación científica nunca cesó y publicó artículos hasta bien entrados los noventa, lo que lo convirtió en uno de los pocos científicos que publicó al menos un artículo importante en su campo durante cada década de su carrera, que en el caso de Bethe duró casi setenta años. Freeman Dyson , una vez su estudiante de doctorado, lo llamó el "solucionador supremo de problemas del siglo XX". [4]
Bethe nació en Estrasburgo , que en ese momento era parte del Reichsland Elsaß-Lothringen , Alemania , el 2 de julio de 1906, hijo único de Anna (de soltera Kuhn) y Albrecht Bethe, un Privatdozent de fisiología en la Universidad de Estrasburgo . [5] Aunque su madre, hija de Abraham Kuhn , profesor de la Universidad de Estrasburgo, tenía antecedentes judíos , [6] Bethe fue criado como protestante , como su padre; [7] [8] y se convirtió en ateo más tarde en su vida. [9]
Su padre aceptó un puesto como profesor y director del Instituto de Fisiología de la Universidad de Kiel en 1912, y la familia se mudó al apartamento del director en el instituto. Inicialmente, fue educado en forma privada por un maestro profesional como parte de un grupo de ocho niñas y niños. [10] La familia se mudó nuevamente en 1915 cuando su padre se convirtió en el director del nuevo Instituto de Fisiología de la Universidad Goethe de Frankfurt . [7]
Bethe asistió al Goethe-Gymnasium en Frankfurt , Alemania. Su educación se interrumpió en 1916, cuando contrajo tuberculosis , y fue enviado a Bad Kreuznach para recuperarse. En 1917, se había recuperado lo suficiente como para asistir a la Realschule local y al año siguiente, fue enviado a la Odenwaldschule , un internado privado mixto . [11] Asistió al Goethe-Gymnasium nuevamente para sus últimos tres años de educación secundaria, de 1922 a 1924. [12]
Después de aprobar su Abitur , Bethe ingresó en la Universidad de Frankfurt en 1924. Decidió especializarse en química . La instrucción en física era pobre, y aunque había matemáticos distinguidos en Frankfurt como Carl Ludwig Siegel y Otto Szász , a Bethe le desagradaban sus enfoques, que presentaban las matemáticas sin referencia a las otras ciencias. [13] Bethe descubrió que era un mal experimentalista que destruyó su bata de laboratorio al derramar ácido sulfúrico sobre ella, pero encontró más interesante la física avanzada enseñada por el profesor asociado, Walter Gerlach . [13] [14] Gerlach se fue en 1925 y fue reemplazado por Karl Meissner , quien le aconsejó a Bethe que fuera a una universidad con una mejor escuela de física teórica, específicamente la Universidad de Múnich , donde podría estudiar con Arnold Sommerfeld . [15] [16]
Bethe ingresó en la Universidad de Múnich en abril de 1926, donde Sommerfeld lo aceptó como alumno por recomendación de Meissner. [17] Sommerfeld impartía un curso avanzado sobre ecuaciones diferenciales en física, que a Bethe le gustaba. Como era un erudito tan reconocido, Sommerfeld recibía con frecuencia copias anticipadas de artículos científicos, que presentaba para su discusión en seminarios vespertinos semanales. Cuando Bethe llegó, Sommerfeld acababa de recibir los artículos de Erwin Schrödinger sobre mecánica ondulatoria . [18]
Para su tesis doctoral , Sommerfeld sugirió a Bethe que estudiara la difracción de electrones en cristales . Como punto de partida, Sommerfeld sugirió el artículo de Paul Ewald de 1914 sobre la difracción de rayos X en cristales. Bethe recordó más tarde que se volvió demasiado ambicioso y, en su búsqueda de una mayor precisión, sus cálculos se complicaron innecesariamente. [19] Cuando conoció a Wolfgang Pauli por primera vez, Pauli le dijo: "Después de los cuentos de Sommerfeld sobre ti, esperaba mucho más de ti que de tu tesis". [20] "Supongo que de Pauli", recordó Bethe más tarde, "eso fue un cumplido". [20]
Después de que Bethe se doctorara, Erwin Madelung le ofreció una beca de investigación en Frankfurt y en septiembre de 1928 se mudó a casa de su padre, que se había divorciado recientemente de su madre. Su padre había conocido a Vera Congehl a principios de ese año y se casó con ella en 1929. Tuvieron dos hijos, Doris, nacida en 1933, y Klaus, nacido en 1934. [21]
Bethe no encontró muy estimulante el trabajo en Frankfurt y en 1929 aceptó una oferta de Ewald en la Technische Hochschule de Stuttgart . Mientras estuvo allí, escribió lo que él consideraba su mejor artículo, [22] Zur Theorie des Durchgangs schneller Korpuskularstrahlen durch Materie ("La teoría del paso de rayos corpusculares rápidos a través de la materia"). [23] Partiendo de la interpretación de Max Born de la ecuación de Schrödinger , Bethe produjo una fórmula simplificada para problemas de colisión utilizando una transformada de Fourier , que hoy se conoce como la fórmula de Bethe . Presentó este artículo para su habilitación en 1930. [22] [24] [25]
En 1929, Sommerfeld recomendó a Bethe para una beca de viaje de la Fundación Rockefeller, que le proporcionaba 150 dólares al mes (unos 3000 dólares en dólares de 2023 [A] ) para estudiar en el extranjero. En 1930, Bethe decidió realizar un trabajo posdoctoral en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge , en Inglaterra, donde trabajó bajo la supervisión de Ralph Fowler . [26] A petición de Patrick Blackett , que trabajaba con cámaras de nubes , Bethe creó una versión relativista de la fórmula de Bethe. [27]
Bethe era conocido por su sentido del humor, y con Guido Beck y Wolfgang Riezler , otros dos investigadores postdoctorales , creó un artículo falso Sobre la teoría cuántica de la temperatura del cero absoluto donde calculó la constante de estructura fina a partir de la temperatura del cero absoluto en unidades Celsius. [28] El artículo se burlaba de cierta clase de artículos en física teórica de la época, que eran puramente especulativos y se basaban en argumentos numéricos espurios, como los intentos de Arthur Eddington de explicar el valor de la constante de estructura fina a partir de cantidades fundamentales en un artículo anterior. Se vieron obligados a emitir una disculpa. [29]
Para la segunda mitad de su beca, Bethe decidió ir al laboratorio de Enrico Fermi en Roma en febrero de 1931. Quedó muy impresionado por Fermi y lamentó no haber ido primero a Roma. [30] Bethe desarrolló el Bethe ansatz , un método para encontrar las soluciones exactas para los valores propios y vectores propios de ciertos modelos cuánticos unidimensionales de muchos cuerpos. [31] Fue influenciado por la simplicidad de Fermi y el rigor de Sommerfeld al abordar los problemas y estas cualidades influyeron en su propia investigación posterior. [32]
La Fundación Rockefeller ofreció una extensión de la beca de Bethe, permitiéndole regresar a Italia en 1932. [33] Mientras tanto, Bethe trabajó para Sommerfeld en Múnich como privatdozent . Como Bethe hablaba inglés con fluidez, Sommerfeld hizo que Bethe supervisara a todos sus becarios posdoctorales de habla inglesa, incluido Lloyd P. Smith de la Universidad de Cornell . [34] Bethe aceptó una solicitud de Karl Scheel para escribir un artículo para el Handbuch der Physik sobre la mecánica cuántica del hidrógeno y el helio. Al revisar el artículo décadas después, Robert Bacher y Victor Weisskopf notaron que era inusual en la profundidad y amplitud de su tratamiento del tema que requirió muy poca actualización para la edición de 1959. Luego, Sommerfeld le pidió a Bethe que lo ayudara con el artículo del handbuch sobre los electrones en los metales. El artículo cubría la base de lo que ahora se llama física del estado sólido . Bethe tomó un campo muy nuevo y proporcionó una cobertura clara, coherente y completa del mismo. [33] Su trabajo en los artículos del manual ocupó la mayor parte de su tiempo en Roma, pero también coescribió un artículo con Fermi sobre otro campo nuevo, la electrodinámica cuántica , que describe las interacciones relativistas de partículas cargadas. [35]
En 1932, Bethe aceptó un nombramiento como profesor asistente en la Universidad de Tubinga , donde Hans Geiger era profesor de física experimental. [36] [37] Una de las primeras leyes aprobadas por el nuevo gobierno nazi fue la Ley para la Restauración del Servicio Civil Profesional . Debido a su origen judío, Bethe fue despedido de su trabajo en la universidad, que era un puesto gubernamental. Geiger se negó a ayudar, pero Sommerfeld inmediatamente le devolvió a Bethe su beca en Múnich. Sommerfeld pasó gran parte del semestre de verano de 1933 buscando plazas para estudiantes y colegas judíos. [38]
Bethe abandonó Alemania en 1933 y se trasladó a Inglaterra tras recibir una oferta para un puesto como profesor en la Universidad de Manchester durante un año a través de la conexión de Sommerfeld con William Lawrence Bragg . [38] Se mudó con su amigo Rudolf Peierls y la esposa de Peierls, Genia. Peierls era un físico alemán al que también se le había prohibido ocupar puestos académicos en Alemania por ser judío. Esto significaba que Bethe tenía alguien con quien hablar en alemán y no tenía que comer comida inglesa. [39] Su relación era tanto profesional como personal. Peierls despertó el interés de Bethe por la física nuclear . [40] Después de que James Chadwick y Maurice Goldhaber descubrieran la fotodesintegración del deuterio , [41] Chadwick desafió a Bethe y Peierls a que encontraran una explicación teórica de este fenómeno. Esto lo hicieron en el viaje en tren de cuatro horas desde Cambridge de regreso a Manchester. [42] Bethe investigaría más a fondo en los años siguientes. [40]
En 1933, el departamento de física de la Universidad de Cornell , Nueva York , buscaba un nuevo físico teórico, y Lloyd Smith recomendó encarecidamente a Bethe. Esto fue apoyado por Bragg, que estaba de visita en Cornell en ese momento. En agosto de 1934, Cornell le ofreció a Bethe un puesto como profesor asistente interino. Bethe ya había aceptado una beca por un año para trabajar con Nevill Mott en la Universidad de Bristol durante un semestre, pero Cornell aceptó dejarlo comenzar en la primavera de 1935. [43] Antes de partir a los Estados Unidos, visitó el Instituto Niels Bohr en Copenhague en septiembre de 1934, donde le propuso matrimonio a Hilde Levi , quien aceptó. El emparejamiento fue rechazado por la madre de Bethe, quien a pesar de tener antecedentes judíos, no quería que se casara con una mujer judía. [44] Unos días antes de la fecha de su boda en diciembre, Bethe rompió su compromiso. [45] Niels Bohr y James Franck quedaron tan conmocionados por esta acción de Bethe que no lo invitaron nuevamente al instituto hasta después de la Segunda Guerra Mundial . [44]
Bethe llegó a los Estados Unidos en febrero de 1935 y se unió a la facultad de la Universidad de Cornell con un salario de 3000 dólares. [46] El nombramiento de Bethe fue parte de un esfuerzo deliberado por parte del nuevo jefe de su departamento de física, Roswell Clifton Gibbs , para pasar al campo de la física nuclear. [47] Gibbs había contratado a Stanley Livingston , que había trabajado con Ernest Lawrence , para construir un ciclotrón en Cornell. [47] Para completar el equipo, Cornell necesitaba un experimentalista y, siguiendo el consejo de Bethe y Livingston, reclutó a Robert Bacher . Bethe recibió solicitudes para visitar la Universidad de Columbia de Isidor Isaac Rabi , la Universidad de Princeton de Edward Condon , la Universidad de Rochester de Lee DuBridge , la Universidad de Purdue de Karl Lark-Horovitz , la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign de Francis Wheeler Loomis y la Universidad de Harvard de John Hasbrouck Van Vleck . Gibbs intentó evitar que ficharan a Bethe, nombrándolo profesor asistente regular en 1936, con la garantía de que pronto sería ascendido a profesor. [48]
Junto con Bacher y Livingston, Bethe publicó una serie de tres artículos [49] [50] [51] que resumían la mayor parte de lo que se sabía sobre el tema de la física nuclear hasta ese momento, un relato que se conoció informalmente como "la Biblia de Bethe". Siguió siendo la obra de referencia sobre el tema durante muchos años. En este relato, también continuó donde otros lo dejaron, llenando los vacíos en la literatura más antigua. [52] Loomis le ofreció a Bethe una cátedra completa en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, pero Cornell igualó el puesto ofrecido y el salario de $6,000. [53] Le escribió a su madre:
Soy el teórico más importante de Estados Unidos, lo que no significa que sea el mejor. Wigner es sin duda mejor y Oppenheimer y Teller probablemente igual de buenos, pero hago más y hablo más, y eso también cuenta. [54]
El 17 de marzo de 1938, Bethe asistió a la cuarta Conferencia anual de física teórica de Washington del Instituto Carnegie y la Universidad George Washington . Solo hubo 34 asistentes invitados, pero entre ellos se encontraban Gregory Breit , Subrahmanyan Chandrasekhar , George Gamow , Donald Menzel , John von Neumann , Bengt Strömgren , Edward Teller y Merle Tuve . Bethe inicialmente declinó la invitación para asistir, porque el tema de la conferencia, la generación de energía estelar , no le interesaba, pero Teller lo persuadió de ir. En la conferencia, Strömgren detalló lo que se sabía sobre la temperatura, la densidad y la composición química del Sol, y desafió a los físicos a que encontraran una explicación. Gamow y Carl Friedrich von Weizsäcker habían propuesto en un artículo de 1937 que la energía del Sol era el resultado de una reacción en cadena protón-protón : [55] [56]
Pero esto no explicaba la observación de elementos más pesados que el helio. Al final de la conferencia, Bethe, trabajando en colaboración con Charles Critchfield , había ideado una serie de reacciones nucleares posteriores que explicaban cómo brilla el Sol: [57]
No se pasó por alto que esto no explicaba los procesos en estrellas más pesadas. En ese momento había dudas sobre si el ciclo protón-protón describía los procesos en el Sol, pero mediciones más recientes de la temperatura y luminosidad del núcleo del Sol muestran que sí lo hace. [55] Cuando regresó a Cornell, Bethe estudió las reacciones nucleares relevantes y las secciones eficaces de reacción , lo que condujo a su descubrimiento del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (ciclo CNO) : [58] [59]
Los dos artículos, uno sobre el ciclo protón-protón, escrito en coautoría con Critchfield, y el otro sobre el ciclo carbono-oxígeno-nitrógeno (CNO), fueron enviados a Physical Review para su publicación. [60]
Después de la Noche de los Cristales Rotos , la madre de Bethe tuvo miedo de quedarse en Alemania. Aprovechando su origen de Estrasburgo, pudo emigrar a los Estados Unidos en junio de 1939 con el cupo francés, en lugar del alemán, que estaba completo. [61] El estudiante de posgrado de Bethe, Robert Marshak, notó que la Academia de Ciencias de Nueva York ofrecía un premio de $500 para el mejor artículo inédito sobre el tema de la energía solar y estelar. Entonces Bethe, que necesitaba $250 para liberar los muebles de su madre, retiró el artículo del ciclo CNO y lo envió a la Academia de Ciencias de Nueva York. Ganó el premio, y Bethe le dio a Marshak $50 de honorarios por la búsqueda y usó $250 para liberar los muebles de su madre. El artículo fue publicado posteriormente en la Physical Review en marzo. Fue un gran avance en la comprensión de las estrellas, y le valió a Bethe el Premio Nobel de Física en 1967. [62] [60] En 2002, a los 96 años, Bethe envió una nota escrita a mano a John N. Bahcall felicitándolo por el uso de observaciones de neutrinos solares para demostrar que el ciclo CNO representa aproximadamente el 7% de la energía del Sol; las observaciones de neutrinos habían comenzado con Raymond Davis Jr. , cuyo experimento se basó en los cálculos y el estímulo de Bahcall, y la nota llevó a que Davis recibiera una parte del Premio Nobel de 2002. [63]
Bethe se casó con Rose Ewald, la hija de Paul Ewald , el 13 de septiembre de 1939, en una sencilla ceremonia civil. [64] Ella había emigrado a los Estados Unidos y era estudiante en la Universidad de Duke y se conocieron mientras Bethe daba una conferencia allí en 1937. Tuvieron dos hijos, Henry y Monica. [65] (Henry era un experto en bridge por contrato y ex marido de Kitty Munson Cooper ). [66]
Bethe se convirtió en ciudadana naturalizada de los Estados Unidos en marzo de 1941. [67] En una carta a Sommerfeld en 1947, Bethe le confió: "Me siento mucho más a gusto en Estados Unidos que en Alemania. Como si hubiera nacido en Alemania sólo por error y hubiera llegado a mi verdadera patria a los 28 años". [68]
Cuando comenzó la Segunda Guerra Mundial, Bethe quiso contribuir al esfuerzo bélico, [69] pero no pudo trabajar en proyectos clasificados hasta que se convirtió en ciudadano. Siguiendo el consejo del aerodinámico de Caltech Theodore von Kármán , Bethe colaboró con su amigo Edward Teller en una teoría de las ondas de choque que se generan por el paso de un proyectil a través de un gas. [70] Bethe lo consideró uno de sus artículos más influyentes. [ cita requerida ] También trabajó en una teoría de penetración de blindaje, que fue inmediatamente clasificada por el ejército, lo que hizo imposible para Bethe (que no era ciudadano estadounidense en ese momento) acceder a más investigaciones sobre la teoría. [70]
Después de recibir la autorización de seguridad en diciembre de 1941, Bethe se unió al Laboratorio de Radiación del MIT , donde inventó el acoplador direccional Bethe-hole , que se utiliza en guías de ondas de microondas como las que se utilizan en los equipos de radar . [71] En Chicago en junio de 1942, y luego en julio en la Universidad de California, Berkeley , participó en una serie de reuniones por invitación de Robert Oppenheimer, que discutieron los primeros diseños para la bomba atómica . Revisaron los cálculos preliminares de Robert Serber , Stan Frankel y otros, y discutieron las posibilidades de usar uranio-235 y plutonio . (Teller planteó entonces la posibilidad de un dispositivo termonuclear, la bomba "Super" de Teller . En un momento dado, Teller preguntó si el nitrógeno de la atmósfera podía incendiarse. Le correspondió a Bethe y Emil Konopinski realizar los cálculos que demostraban la virtual imposibilidad de que tal suceso ocurriera. [72] ) "La bomba de fisión tenía que fabricarse", recordó más tarde, "porque presumiblemente los alemanes la estaban fabricando". [73]
Cuando Oppenheimer fue puesto a cargo de la formación de un laboratorio secreto de diseño de armas, Los Álamos , nombró a Bethe director de la División T (Teórica), la división más pequeña pero más prestigiosa del laboratorio. Esta decisión irritó a Teller y a Felix Bloch , igualmente calificados pero más difíciles de manejar , que habían codiciado el trabajo. [74] [75] Una serie de desacuerdos entre Bethe y Teller entre febrero y junio de 1944 sobre la prioridad relativa de la investigación de Super llevó a que el grupo de Teller fuera retirado de la División T y colocado directamente bajo Oppenheimer. En septiembre pasó a formar parte de la nueva División F de Fermi. [76]
El trabajo de Bethe en Los Álamos incluyó el cálculo de la masa crítica y la eficiencia del uranio-235 y la multiplicación de la fisión nuclear en una bomba atómica en explosión. Junto con Richard Feynman , desarrolló una fórmula para calcular el rendimiento explosivo de la bomba. [77] Después de agosto de 1944, cuando el laboratorio se reorganizó y reorientó para resolver el problema de la implosión de la bomba de plutonio , Bethe pasó gran parte de su tiempo estudiando los aspectos hidrodinámicos de la implosión, un trabajo que continuó en 1944. [78] En 1945, trabajó en el iniciador de neutrones y, más tarde, en la propagación de la radiación de una bomba atómica en explosión. [79] La prueba nuclear Trinity validó la precisión de los resultados de la División T. [80] Cuando se detonó en el desierto de Nuevo México el 16 de julio de 1945, la preocupación inmediata de Bethe fue su funcionamiento eficiente, y no sus implicaciones morales. Se dice que comentó: "No soy un filósofo". [81]
Después de la guerra, Bethe argumentó que no se debía intentar un proyecto de choque para la bomba de hidrógeno , [82] aunque después de que el presidente Harry Truman anunciara el comienzo de dicho proyecto y estallara la Guerra de Corea , Bethe se inscribió y jugó un papel clave en el desarrollo del arma. Aunque vio el proyecto hasta su final, Bethe había esperado que fuera imposible crear la bomba de hidrógeno. [83] Más tarde, en 1968, comentó sobre la aparente contradicción en su postura, habiéndose opuesto primero al desarrollo del arma y luego ayudando a crearla:
Apenas unos meses antes había estallado la guerra de Corea y por primera vez vi un enfrentamiento directo con los comunistas . Era demasiado inquietante. La guerra fría parecía estar a punto de volverse intensa. Entonces supe que tenía que cambiar mi postura anterior. Si no trabajaba en la bomba, alguien más lo haría, y yo había pensado que si estaba cerca de Los Álamos todavía podría ser una fuerza para el desarme. Así que acepté participar en el desarrollo de la bomba H. Parecía bastante lógico. Pero a veces desearía ser un idealista más coherente . [84]
En cuanto a su propio papel en el proyecto y su relación con la disputa sobre quién era responsable del diseño , Bethe dijo más tarde que:
Después de que se fabricara la bomba H, los periodistas empezaron a llamar a Teller el padre de la bomba H. Por el bien de la historia, creo que es más preciso decir que Ulam es el padre, porque aportó la semilla, y Teller es la madre, porque se quedó con el niño. En cuanto a mí, supongo que soy la partera . [84]
En 1954, Bethe testificó a favor de J. Robert Oppenheimer durante la audiencia de seguridad de Oppenheimer . Específicamente, Bethe argumentó que las posturas de Oppenheimer en contra del desarrollo de la bomba de hidrógeno a fines de la década de 1940 no habían obstaculizado su desarrollo, un tema que fue visto como un factor motivador clave detrás de la audiencia. Bethe sostuvo que los desarrollos que llevaron al exitoso diseño de Teller-Ulam fueron una cuestión de serendipia y no una cuestión de mano de obra o desarrollo lógico de ideas previamente existentes. Durante la audiencia, Bethe y su esposa también intentaron persuadir a Edward Teller para que no testificara. Sin embargo, Teller no estuvo de acuerdo, y su testimonio jugó un papel importante en la revocación de la autorización de seguridad de Oppenheimer . Si bien Bethe y Teller habían estado en muy buenos términos durante los años anteriores a la guerra, el conflicto entre ellos durante el Proyecto Manhattan , y especialmente durante el episodio de Oppenheimer, empañó permanentemente su relación. [85]
Después de que terminó la guerra, Bethe regresó a Cornell. En junio de 1947, participó en la Conferencia de Shelter Island . Patrocinada por la Academia Nacional de Ciencias y celebrada en el Ram's Head Inn en Shelter Island, Nueva York , la conferencia sobre los "Fundamentos de la Mecánica Cuántica" fue la primera conferencia importante de física celebrada después de la guerra. Fue una oportunidad para que los físicos estadounidenses se reunieran, retomaran lo que habían dejado antes de la guerra y establecieran la dirección de la investigación de posguerra. [86] [87]
Un tema de conversación importante en la conferencia fue el descubrimiento de Willis Lamb y su estudiante de posgrado, Robert Retherford , poco antes de que comenzara la conferencia de que uno de los dos posibles estados cuánticos de los átomos de hidrógeno tenía un poco más de energía que la predicha por la teoría de Paul Dirac ; esto se conoció como el desplazamiento de Lamb . Oppenheimer y Weisskopf sugirieron que esto era el resultado de fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético, que le daban al electrón más energía. Según la electrodinámica cuántica (EDQ) de antes de la guerra, la energía del electrón consistía en la energía desnuda que tenía cuando estaba desacoplado de un campo electromagnético y la energía propia resultante del acoplamiento electromagnético, pero ambas eran inobservables, ya que el campo electromagnético no se puede apagar. La EQQ dio valores infinitos para las energías propias; pero el desplazamiento de Lamb mostró que ambas eran reales y finitas. Hans Kramers propuso la renormalización como solución, pero nadie sabía cómo hacer el cálculo. [86] [88]
Bethe logró realizar el cálculo en el tren de Nueva York a Schenectady , donde trabajaba para General Electric . Lo hizo al darse cuenta de que era un proceso no relativista, lo que simplificó enormemente el cálculo. La energía desnuda se eliminó fácilmente porque ya estaba incluida en la masa observada del electrón. El término de autoenergía ahora aumentaba logarítmicamente en lugar de linealmente, lo que lo hacía matemáticamente convergente. Bethe llegó a un valor para el desplazamiento de Lamb de 1040 MHz, extremadamente cercano al obtenido experimentalmente por Lamb y Retherford. Su artículo, publicado en Physical Review en agosto de 1947, tenía solo tres páginas y contenía solo doce ecuaciones matemáticas, pero fue enormemente influyente. Se había asumido que los infinitos indicaban que la QED era fundamentalmente defectuosa y que se requería una nueva teoría radical; Bethe demostró que esto no era necesario. [88] [89]
Uno de los artículos más famosos de Bethe es uno que nunca escribió: el artículo Alpher–Bethe–Gamow de 1948. [ 90 ] George Gamow añadió el nombre de Bethe (en ausencia) sin consultarle, sabiendo que a Bethe no le importaría, y en contra de los deseos de Ralph Alpher . Esto fue aparentemente un reflejo del sentido del humor de Gamow, que quería tener un título de artículo que sonara como las primeras tres letras del alfabeto griego. Como uno de los revisores de Physical Review , Bethe vio el manuscrito y eliminó las palabras "en ausencia". [91]
Bethe creía que el núcleo atómico era como una gota de líquido cuántico . Investigó el problema de la materia nuclear considerando el trabajo realizado por Keith Brueckner sobre la teoría de perturbaciones . Trabajando con Jeffrey Goldstone , produjo una solución para el caso en el que había un potencial de núcleo duro infinito. Luego, trabajando con Baird Brandow y Albert Petschek, se le ocurrió una aproximación que convertía la ecuación de dispersión en una ecuación diferencial de fácil solución . Esto lo llevó a la ecuación de Bethe-Faddeev, una generalización del enfoque de Ludwig Faddeev sobre la dispersión de tres cuerpos. Luego utilizó estas técnicas para examinar las estrellas de neutrones , que tienen densidades similares a las de los núcleos. [92]
Bethe continuó investigando sobre supernovas , estrellas de neutrones, agujeros negros y otros problemas de la astrofísica teórica hasta bien entrados los noventa. Para ello, colaboró con Gerald E. Brown, de la Universidad Stony Brook . En 1978, Brown propuso que colaboraran en el estudio de las supernovas. En ese momento, ya se entendían bastante bien, pero los cálculos seguían siendo un problema. Utilizando técnicas perfeccionadas durante décadas de trabajo con física nuclear y algo de experiencia con cálculos relacionados con explosiones nucleares, Bethe abordó los problemas relacionados con el colapso gravitacional estelar y la forma en que varios factores afectaban a una explosión de supernova. Una vez más, pudo reducir el problema a un conjunto de ecuaciones diferenciales y resolverlas. [93] [94]
A los 85 años, Bethe escribió un importante artículo sobre el problema de los neutrinos solares , en el que ayudó a establecer el mecanismo de conversión de los neutrinos electrónicos en neutrinos muónicos propuesto por Stanislav Mikheyev , Alexei Smirnov y Lincoln Wolfenstein para explicar una desconcertante discrepancia entre la teoría y el experimento. Bethe argumentó que se necesitaba física más allá del Modelo Estándar para entender el problema de los neutrinos solares, porque presumía que los neutrinos no tienen masa y, por lo tanto, no pueden metamorfosearse entre sí; mientras que el efecto MSW requería que esto ocurriera. Bethe esperaba que el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) en Ontario encontrara evidencia corroborativa antes de su 90 cumpleaños, pero no recibió la llamada del SNO hasta junio de 2001, cuando tenía casi 95 años . [95] [96]
En 1996, Kip Thorne se puso en contacto con Bethe y Brown para hablar sobre LIGO , el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser diseñado para detectar las ondas gravitacionales de las estrellas de neutrones y los agujeros negros en fusión. Como Bethe y Brown eran buenos calculando cosas que no se podían ver, ¿podrían observar las fusiones? Bethe, de 90 años, se entusiasmó rápidamente y pronto comenzó a realizar los cálculos necesarios. El resultado fue un artículo de 1998 sobre la "Evolución de los objetos binarios compactos que se fusionan", que Brown consideró como el mejor que los dos produjeron juntos. [97] [98]
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En 1968, Bethe, junto con el físico de IBM Richard Garwin , publicó un artículo criticando en detalle el sistema de defensa anti- ICBM propuesto por el Departamento de Defensa . Los dos físicos describieron en el artículo que casi cualquier medida tomada por los Estados Unidos sería fácilmente frustrada con el despliegue de señuelos relativamente simples. [99] Bethe fue una de las principales voces de la comunidad científica detrás de la firma del Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos de 1963 que prohibía más pruebas atmosféricas de armas nucleares. [100]
Durante los años 1980 y 1990, Bethe hizo campaña por el uso pacífico de la energía nuclear . Después del desastre de Chernóbil , Bethe formó parte de un comité de expertos que analizó el incidente. Concluyeron que el reactor adolecía de un diseño fundamentalmente defectuoso y también que el error humano había contribuido significativamente al accidente. "Mis colegas y yo establecimos", explicó, "que el desastre de Chernóbil nos habla de las deficiencias del sistema político y administrativo soviético, más que de los problemas con la energía nuclear". [101] A lo largo de su vida, Bethe siguió siendo un firme defensor de la electricidad procedente de la energía nuclear, que describió en 1977 como "una necesidad, no meramente una opción". [102]
En la década de 1980, él y otros físicos se opusieron al sistema de misiles de la Iniciativa de Defensa Estratégica concebido por la administración de Ronald Reagan . [103] En 1995, a la edad de 88 años, Bethe escribió una carta abierta pidiendo a todos los científicos que "cesaran y desistieran" de trabajar en cualquier aspecto del desarrollo y fabricación de armas nucleares. [104] En 2004, se unió a otros 47 premios Nobel para firmar una carta en la que apoyaban a John Kerry como presidente de los Estados Unidos como alguien que "restauraría la ciencia al lugar que le corresponde en el gobierno". [105]
El historiador Gregg Herken escribió:
Cuando Oppenheimer murió, su amigo de toda la vida, Hans Bethe, asumió el manto del científico de la conciencia en este país. Al igual que Jefferson y Adams, Teller y Bethe vivirían en el nuevo siglo al que ellos y sus colegas tanto habían contribuido. [106]
Los pasatiempos de Bethe incluían una pasión por coleccionar sellos. [107] Amaba el aire libre y fue un excursionista entusiasta toda su vida, explorando los Alpes y las Montañas Rocosas . [108] Murió en su casa en Ithaca, Nueva York , el 6 de marzo de 2005, de insuficiencia cardíaca congestiva. [73] Le sobrevivieron su esposa, Rose Ewald Bethe, y sus dos hijos. [109] En el momento de su muerte, era profesor de Física John Wendell Anderson, Emérito, en la Universidad de Cornell . [110]
Bethe recibió numerosos honores y premios durante su vida y después. Se convirtió en miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en 1947, [111] y ese año también recibió la Medalla Henry Draper de la Academia Nacional de Ciencias [112] y fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense . [113] Fue galardonado con la Medalla Max Planck en 1955, la Medalla Franklin en 1959, la Medalla Eddington de la Royal Astronomical Society y el Premio Enrico Fermi de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos en 1961, [114] el Premio Rumford en 1963, [115] el Premio Nobel de Física en 1967, [65] la Medalla Nacional de Ciencias en 1975, [116] la Medalla Oersted en 1993, [117] la Medalla Bruce en 2001, [118] y póstumamente en 2005, la Medalla Benjamin Franklin por Logros Distinguidos en las Ciencias por la Sociedad Filosófica Americana . [119]
Bethe fue elegido miembro extranjero de la Royal Society (ForMemRS) en 1957 , [1] y dio la Conferencia Bakerian de 1993 en la Royal Society sobre el mecanismo de las supernovas. [120] En 1978 fue elegido miembro de la Academia Alemana de Ciencias Leopoldina . [121]
Cornell nombró a la tercera de cinco nuevas residencias universitarias , cada una de las cuales lleva el nombre de un ex miembro distinguido de la facultad de Cornell, como la Casa Hans Bethe en su honor. [122] De manera similar, el Centro Hans Bethe, 322 Fourth Street NE, Washington, DC, sede del Consejo para un Mundo Habitable , donde Bethe fue miembro de la junta durante mucho tiempo, [123] así como el Centro Bethe de Física Teórica en la Universidad de Bonn en Alemania. [124] Un asteroide , 30828 Bethe , que fue descubierto en 1990, recibió su nombre. [125] El Premio Hans Bethe de la Sociedad Estadounidense de Física también recibió su nombre. [126]
Bethe fue interpretada por Matthew Guinness en la miniserie de televisión Oppenheimer de 1980 y por Gustaf Skarsgård en la película Oppenheimer de 2023. En Cities in Flight , una serie de ciencia ficción de 1950-1962 de James Blish , un arma poderosa llamada "Bethe Blaster" lleva el nombre de Bethe.
Cuando Charles Weiner le preguntó si había religión en su hogar, Bethe respondió: "No. Mi padre era, creo, ligeramente religioso. Me enseñaron a rezar por la noche antes de ir a dormir y asistí a la instrucción religiosa protestante, que se daba en las escuelas de Alemania. También fui confirmado, y la instrucción que recibí en este sentido sacó la religión de mi sistema por completo. Nunca había sido muy fuerte antes, y la confirmación tuvo la consecuencia de que simplemente no creía".
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