Daniel Kleppner

Daniel Kleppner: La fortaleza persistente de la física atómica

Los experimentos del físico estadounidense fueron la base de grandes descubrimientos sobre el comportamiento de los átomos y avances tecnológicos como el GPS

Imagem: Léo Ramos Chaves Kleppner: “desde el punto de vista del equilibrio psicológico, es bueno dar clases e investigar”Imagem: Léo Ramos Chaves

El estadounidense Daniel Kleppner, inicialmente en la Universidad Harvard, entre 1959 y 1966, y a partir de entonces en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), se mantuvo al frente o participó en experimentos que implementaron las tres técnicas de trabajo que hoy son ampliamente usadas en la física. La primera son los relojes atómicos de máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación, por sus siglas en inglés) de hidrógeno, de los cuales surgió el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), que hoy en día se utilizan en automóviles y teléfonos celulares. La segunda es la electrodinámica cuántica en cavidades, que posibilitó el estudio de las propiedades cuánticas, como el fenómeno de entrelazamiento, donde cualquier acción sobre una partícula puede interferir en su par, aunque se halle distante. La tercera es el confinamiento y refrigeración de átomos para producir los condensados de Bose-Einstein, un estado de la materia que se obtiene en valores de temperatura cercanos al cero absoluto (-273º Celsius), previsto por el físico indio Satyendra Bose (1894-1974) y por Albert Einstein (1879-1955), que fuera demostrado en forma experimental en 1995.

Kleppner, quien creció en Nueva York, fue premiado en el mes de enero de este año por la American Physical Society (APS) con la APS Medal for Exceptional Achievement in Research. Hijo de un inmigrante austríaco, de niño le agradaba construir radios a galena y pequeños aviones. Luego de graduarse en ingeniería, en 1953, estudió dos años en la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, antes de partir hacia Harvard. Allí, Kleppner y su director de doctorado Norman Ramsey, Premio Nobel de Física en 1989, desarrollaron el máser de hidrógeno, 100 mil veces más preciso que los relojes atómicos que se utilizaban hasta entonces para la medición del tiempo.

En 1989, Kleppner se encontraba en un restaurante de São Carlos (interior de São Paulo) junto a colegas brasileños cuando anotó las ideas para su artículo debut como columnista en la revista Physics Today, de la APS. En el texto, intitulado “Pasión por la precisión”, describe el placer por la búsqueda de nuevos métodos para medir las propiedades de los átomos que descubrió con Ramsey. Fue columnista en la revista hasta 2013.

A partir de 1985, Kleppner visitó en varias oportunidades el Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), con el cual sigue colaborando. A los 84 años y casado con Beatrice, una docente de enseñanza media, con tres hijos y cuatro nietos, regresó a Brasil en febrero de este año, se reencontró con sus antiguos colegas e impartió una clase magistral intitulada “Tres semillas del auge de las ciencias cuánticas”, donde trató en retrospectiva, su participación en el estudio de los relojes atómicos; en la producción, en laboratorio, de los denominados átomos de Rydberg, con electrones con tanta energía que se apartan del núcleo hasta distancias 10 mil veces mayores que lo normal;  y en los condensados de Bose-Einstein (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 101). “Los alumnos estaban muy entusiasmados, al igual que los grupos de investigación que visité en el Instituto de Física”, comentó. Allá están ahora como docentes dos físicos que él dirigió: Jarbas Castro Neto y Vanderlei Bagnato. En  la siguiente entrevista, que concedió dos semanas después de su presentación, Kleppner retomó las circunstancias y las dificultades de cada uno de esos trabajos.

Imagem: Ryan K Morris/ Bloomberg News Kleppner al lado del entonces presidente de Estados Unidos, George W. Bush, en la ceremonia de entrega de la Medalla Nacional de Ciencia, en 2007…Imagem: Ryan K Morris/ Bloomberg News

¿Cómo comenzó usted su carrera en física atómica?
Tuve un gran profesor de física cuando cursaba la enseñanza media y profesores maravillosos en la facultad. En la Universidad de Cambridge, donde cursé dos años de carrera, mi tutor, Kenneth Smith, me acercó un artículo con una propuesta de un tipo de reloj que podría perfeccionarse lo suficiente para testear los postulados de Einstein acerca del efecto de la gravedad sobre el tiempo. La idea de que la gravedad podría interferir en la operación de un reloj y en el propio paso del tiempo me pareció perturbadora. No hice nada de inmediato, pero la idea quedó rondando en mi mente. Luego me trasladé a la Universidad Harvard e ingresé en el grupo de Norman Ramsey (1915-2011). Él fue el que ideó la técnica que tornó útiles a los relojes atómicos en la práctica.

¿Qué fue lo que hizo Ramsey?
Él imaginaba un tipo de reloj que no funcionara con base en el haz de cesio, que era el modelo inicial, sino en lo que más tarde se conoció como el máser de hidrógeno. Un reloj de haz atómico, tal como se usaba, dispone de un haz de átomos que responde a una radiación con frecuencia única. La respuesta de los átomos se utiliza para controlar la frecuencia de un oscilador electrónico. En el máser, los átomos de un haz de moléculas son filtrados al ingresar a una cavidad, donde luego de un tiempo, todos comienzan a emitir radiación, cuyas oscilaciones podrían medirse. Entré en el grupo de Ramsey justo cuando estaban pensando cómo hacer eso, que por esa época parecía algo imposible. Ramsey creía que, si se colocasen los átomos en una caja de resonancia, se podría aumentar mil veces la precisión de los relojes atómicos. Durante mi doctorado construí y probé un dispositivo que se mostró prometedor, y después, junto a un estudiante de la carrera, construí el máser, que comenzó a operar al año siguiente. Al final de los años 1950, Ramsey y yo comenzamos a desarrollar un máser para mandarlo al espacio. Había comenzado la Era Espacial y la Nasa [la agencia espacial estadounidense] hallaba muy atractiva la idea de testear la teoría de Einstein con un satélite. Pero entonces empezamos a preocuparnos.

¿Por qué?
Nuestros objetivos en Harvard y los de la NASA no eran exactamente los mismos. Ellos insistían en que los astronautas cumpliesen un rol activo en el experimento, sin embargo, cuando un reloj comienza a operar, lo mejor que puede hacerse es dejarlo en paz. A mí también me preocupaba otro problema. ¿Y si llegásemos a un resultado diferente al propuesto por la teoría de Einstein? Podríamos repetir el experimento, pero demandaría muchos años y se cuestionaría bastante el trabajo de Einstein. Entonces desistimos, pero a uno de los investigadores del grupo, que trabajaba con una empresa interesada en hacer del reloj un producto comercial, le agradó la idea y siguió trabajando con la Marina de Estados Unidos. Realizaron un experimento mucho mejor al que habíamos planificado. En lugar de colocar un reloj en un satélite, ellos lo pusieron en un cohete que alcanzó una altura aproximada a la del diámetro de la Tierra en el espacio y regresó. Ese experimento confirmó la teoría de Einstein, generó avances en la tecnología del máser de hidrógeno y contribuyó para perfeccionar las técnicas de comparación de los relojes en el espacio con los de la Tierra. Una de las derivaciones de ese trabajo fue el Sistema de Posicionamiento Global, que funciona comparando relojes del espacio con los de la superficie. Mire: la idea de verificar la relatividad general de Einstein condujo al GPS. No desarrollamos el GPS, pero los relojes atómicos son el alma del mismo. Para mí, eso es un hermoso ejemplo del modo en que la investigación básica ofrece recompensas de maneras inesperadas.

Imagem: Archivo Personal …y junto a su mentor, Norman Ramsey (en el centro), y su exalumno William Philips (a la der.), ambos Premios Nobel de FísicaImagem: Archivo Personal

¿Cómo evolucionaron los relojes atómicos?
Desde que fueron creados, en la década de 1990, la precisión de los mismos se incrementó 100 mil veces. Hasta hace 10 años, todos los relojes atómicos funcionaban solamente en la frecuencia de las microondas, de 109 ciclos por segundo. Una nueva tecnología basada en frecuencias ópticas, cuyos ciclos son 10 mil o 100 mil veces más rápidos funcionó muy bien. Pero, ¿qué vamos a hacer ahora con esos relojes tan precisos? El efecto de la gravedad sobre el tiempo ya no es algo interesante. Alguien podría dar vuelta el partido y usar a los relojes para medir la gravedad. Sólo se trata de una especulación, pero la medida de la variación de la gravedad en la Tierra con semejante precisión podría proporcionar una vista inmediata de las transformaciones de las masas rocosas y de los océanos. Esto podría ser importante en función de los cambios climáticos.

Su laboratorio fue uno de los primeros que crearon los átomos de Rydberg [con electrones alejados del núcleo a distancias 10 mil veces mayores que lo normal]. ¿Cómo fue eso?
Hubo otros grupos que lo lograron casi en simultáneo. Esa idea iba y venía en mi mente durante años. En Harvard había un físico muy creativo, profundo y agradable, Edward Purcell (1912-1997), uno de los inventores de la resonancia magnética nuclear, quien me comentó sobre un descubrimiento en radioastronomía. Algunos científicos habían detectado vestigios de átomos de hidrógeno que acababan de formarse en una estrella cercana. En esa estrella, protones y electrones se unían formando un átomo de hidrógeno, que es meramente un protón ligado a un electrón. Pero los electrones se habían se habían fusionado a una distancia muy grande y descendían de una órbita a otra hasta llegar a un estado con menor energía. Pensé en lo hermoso que era eso y comencé a analizar las propiedades extraordinarias de esos átomos. Sus estados se caracterizan por aquello que se denomina número cuántico principal, n. Normalmente, n es una cifra pequeña, 5, 4 ó 3. Aquello era n=100. Entonces los astrónomos lograron detectar una señal emitida cuando el electrón fue de n=100 a n=99. Las condiciones para visualizar esos estados serían una densidad muy baja, algo que requiere un volumen muy grande, como en el  espacio. Al comienzo de los años 1970, notamos que podríamos generar esos átomos en laboratorio empleando láseres [al ser grandes y fáciles de detectar, los átomos de Rydberg podrían ser manipulados y estudiados con mayor facilidad que los comunes]. ¡Y eso funcionó al primer intento! Fue mi único experimento que funcionó en la primera tentativa.

Usted también fue uno de los primeros en producir el condensado de Bose-Einstein en laboratorio.
Un artículo que salió publicado en la revista Physical Review Letters en 1976 resumía lo que sabíamos sobre la física de los átomos de hidrógeno y finalizaba con una observación muy interesante. Los autores, William Stwalley, de la Universidad de Connecticut, y Lewis  Nosanow, del Departamento de Investigación de Materiales, uno de los centros solventados por la National Science Foundation (NSF), decían que, si el hidrógeno atómico pudiera ordenarse en un estado particular, podría enfriárselo hasta el cero absoluto, pero nunca se transformaría en un sólido o en un líquido. El hidrógeno es mucho más liviano que el helio y posee tanta energía que no se licúa incluso a la temperatura del cero absoluto. No obstante, si se lo enfría lo suficiente, ese gas de hidrógeno podría sufrir una alteración, una condensación de Bose-Einstein. Leí el artículo, pero lo dejé de lado porque llevar al hidrógeno a esas temperaturas y densidad parecían algo absurdo. Le comenté eso Thomas Greytak, un colega del MIT que sabía mucho sobre helio líquido y me explicó lo que era la condensación de Bose-Einstein, al respecto de la cual nunca había oído hablar. Al cabo, nos percatamos de que ello era un mundo nuevo a bajas temperaturas y ahí tal vez funcionasen los experimentos. Al comienzo de los años 1980 tuvimos éxito inicialmente, pero descubrimos que, a densidades elevadas el hidrógeno atómico se transformaba en hidrógeno molecular [formando pares] y desaparecía. Finalmente, en 1998, Greytak y yo logramos reproducir el condensado con hidrógeno, aunque ahora sepamos que ese átomo no es el mejor para hacerlo. La creación de esos gases cuánticos mediante la técnica del enfriamiento realizada actualmente mediante láser significó la apertura de un nuevo mundo para  la física.

Imagem: SkywalkerPL Máser de hidrógeno a bordo de los satélites del Galileo, el sistema de posicionamiento global de la Unión Europea, que mide el tiempo con una precisión de miles de millonésimas de segundoImagem: SkywalkerPL

Más allá de investigar, usted siempre mantuvo un gran interés por la docencia.
Educación e investigación van de la mano. Hay una ventaja psicológica. Porque a veces los experimentos salen mal y nos quedamos ofuscados. Siempre nos consolamos pensando: “Bueno, ¡por lo menos sigo siendo un profesor!”. Y también, por supuesto, a veces una clase nos sale mala, nos deprimimos, pero podemos decir: “¡Lo que sucede es que yo soy un investigador!”. Desde el punto de vista del equilibrio psicológico hace bien disponer de ambos aspectos. Y cuando les explicamos algo a los estudiantes, nos lo estamos explicando a nosotros mismos también. La enseñanza debe ser un proceso creativo, donde puedan encontrarse nuevas maneras de entender las cosas, algo que también forma parte del trabajo de investigación científica.

¿Usted aún sigue trabajando en el laboratorio?
No, pero conservo mi despacho en el MIT. Voy ahí varios días a la semana. Me gusta estar ahí. El ambiente del MIT es maravilloso, ahí están mis amigos, hay conferencias excelentes Pero ya no me dedico a investigar. En uno de mis ensayos para la sección Reference Frame, publicado en 1998 en la revista Physics Today e intitulado “Nibbling the bullet” [Mordisqueando la bala], escribí que la gente debería jubilarse. Uno no necesita jubilarse en Estados Unidos, pero pienso que los investigadores deben hacerlo, entre otros motivos, para darles espacio a los más jóvenes. Redacté el ensayo a los 65 años, sugiriendo que los 70 serían una edad apropiada para jubilarse. ¡Entonces noté que había un compromiso público! Eso fue lo que hice. Lo que no me di cuenta entonces es que estos últimos cinco años pasarían tan rápido… Pese a haberme jubilado, todavía frecuento el MIT. Si quisiera participar en investigaciones y hubiera espacio, aún sería capaz de hacerlo, pero los laboratorios hoy están ocupados por docentes más jóvenes. En fin, he tenido una buena vida.