¿Qué nueva física se descubrió o se necesitó como resultado del Proyecto Manhattan?

Una nota al margen primero: cuando se trata de personas que no son físicos, generalmente considerarán la mecánica cuántica como el final de la física, las cosas más geniales y extrañas. Por lo tanto, no sorprende que su colega se haya centrado en la mecánica cuántica y el resto fuera solo ingeniería.

Entonces, veamos primero su lista, luego pasemos a algunas otras que se destacaron que funcionaron en el Proyecto Manhattan:

Enrico Fermi: Su premio Nobel, otorgado en 1938, fue “por sus demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos”. Bueno, eso parece bastante básico para el Proyecto dada la necesidad de conocer profundamente las reacciones nucleares, las reacciones impulsadas por neutrones y, por supuesto, la producción de grandes cantidades de plutonio a través de la irradiación de neutrones necesaria para Fat Man. Tenga en cuenta que el plutonio solo se descubrió en 1940. (Su lista no incluye a Glenn Seaborg, quien produjo y aisló las primeras muestras de plutonio en febrero de 1941. Esto lo llevó a su Premio Nobel de Química en 1951, además de tener un elemento que lleva su nombre, un honor con una distinción superior a un premio Nobel). Fermi lideró el diseño del Chicago Pile,

Hans Bethe - Si bien su Premio Nobel, "por sus contribuciones a la teoría de las reacciones nucleares, especialmente sus descubrimientos sobre la producción de energía en las estrellas", no llegó hasta 1967, se remonta a su artículo de 1939 "Producción de energía en las estrellas". Revisión física 55, 434-456 (1939). Cabe destacar la primera oración de la introducción: "El progreso de la física nuclear en los últimos años permite decidir con bastante certeza qué procesos pueden y cuáles no pueden ocurrir en el interior de las estrellas". Se trata de analizar cadenas de reacciones nucleares. , que es una habilidad bastante útil en el Proyecto.

Robert Oppenheimer: quizás el más cercano a la mecánica cuántica per se, dado que es parte del enfoque de Born-Oppenheimer para las funciones de onda molecular. Sin embargo, también es conocido por el proceso de Oppenheimer-Phillips que permite agregar protones a los núcleos usando deuterio, bajando la barrera de Coulomb. Antes de la guerra, estuvo profundamente involucrado en las actividades de física nuclear en Berkeley (más abajo). Su papel en el proyecto fue como cabeza del mismo, por lo que sus contribuciones fueron más gerenciales, no técnicas.

Ernest Lawrence: Su Premio Nobel de 1939 fue “por la invención y desarrollo del ciclotrón y por los resultados obtenidos con él, especialmente en lo que respecta a los elementos radiactivos artificiales”. El ciclotrón que inventó y puso en práctica fue un aparato experimental clave para realizar y comprender las reacciones nucleares, lo que condujo a la comprensión de la estructura nuclear y la física nuclear temprana. Su experiencia con aceleradores también condujo al uso de Calutrons en Oak Ridge para la separación de isótopos de uranio para Little Boy.

Richard Feynman: tenga en cuenta que era un doctorado recién acuñado que terminó en Los Álamos cuando básicamente todo el grupo de Wheeler se mudó allí. Trabajó en el grupo computacional, supervisando las máquinas de tarjetas perforadas de IBM. Ciertamente, estar allí con todos los demás nombres probablemente lo ayudó a ponerse al día como profesional. Su Premio Nobel en 1965 fue “por su trabajo fundamental en electrodinámica cuántica, con profundas consecuencias para la física de partículas elementales”. Dada la física nuclear que se desarrolla en Los Álamos, uno se siente tentado a establecer conexiones entre el Premio Nobel y el Proyecto.

Eugene Wigner: otro físico vinculado a la física cuántica y nuclear. Sin embargo, su Premio Nobel de 1963 fue “por sus contribuciones a la teoría del núcleo atómico y las partículas elementales, particularmente a través del descubrimiento y aplicación de principios fundamentales de simetría”. Entonces, aunque lo "conozco" mucho mejor por la física del estado sólido, fue más reconocido por sus contribuciones a la física nuclear. Wigner dirigió el diseño de los reactores nucleares para producir plutonio, los primeros reactores construidos. Los estudiantes de doctorado incluyen a Victor Weisskopf (física nuclear) y John Bardeen (el único dos veces ganador del Premio Nobel de Física). Wigner también estuvo presente en la reunión entre Leo Szilard y Albert Einstein que condujo a la carta a Roosevelt que inició el Proyecto.

Leo Szilard, un erudito de amplio espectro, concibió la idea de una reacción nuclear en cadena en 1933, poco después del descubrimiento del neutrón. Trabajó con Fermi al principio del Proyecto en la Pila de Chicago, luego pasó al diseño de reactores. Después de la guerra se pasó a la biología, incluida la medicina nuclear.

Veamos algunos otros ganadores del Premio Nobel, antes de la guerra.

Werner Heisenberg, 1932, "para la creación de la mecánica cuántica, cuya aplicación, entre otras cosas, condujo al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno" - fue un líder del programa alemán.

Paul Dirac, 1933, "por el descubrimiento de nuevas formas productivas de la teoría atómica" - durante la guerra se centró en la teoría y los experimentos de centrifugadoras de gas para la separación de isótopos. (su co-ganador, Schrodinger, estuvo en Dublín durante la guerra pero siguió siendo ciudadano austriaco hasta 1948. Por lo tanto, Schrodinger no participó en el Proyecto).

James Chadwick, 1935, “por el descubrimiento del neutrón”. Estuvo profundamente involucrado con la física nuclear, primero con Rutherford y luego por derecho propio en Liverpool. Internado en Alemania durante la Primera Guerra Mundial. Estuvo estrechamente asociado con el proyecto Tube Alloys de Gran Bretaña y lo siguió hasta Los Álamos. El trabajo inicial en Gran Bretaña incluyó la medición de la sección transversal del U-235, fundamental para comprender la reacción en cadena. Chadwick era el jefe de la Misión Británica, que supervisó todo el trabajo técnico conjunto.

Carl Anderson, 1936, “por su descubrimiento del positrón”. Durante la guerra hizo investigaciones en cohetería, no estuvo asociado con el Proyecto. El co-ganador de Anderson, Victor Hess, tampoco participó en el Proyecto.

Clinton Davisson, 1937, “por su descubrimiento experimental de la difracción de electrones por cristales”, no participó en el proyecto. Por el contrario, el co-ganador George Thomson se había dedicado a la física nuclear. Thomson fue el presidente del comité MAUD que determinó que una bomba atmosférica era factible.

Entonces, el último Premio Nobel de 'mecánica cuántica' fue otorgado en 1933. Después de eso, la física nuclear estaba surgiendo. La confluencia de la Segunda Guerra Mundial y la comprensión de que un arma atómica era concebible resultó en un enorme esfuerzo de física e ingeniería. Se necesitó un esfuerzo enorme y concentrado para desarrollar la teoría, madurarla y luego implementarla en la ingeniería. Tomó un esfuerzo similar en el lado experimental.

Como nota final, casualmente descarta las medidas de la sección transversal como si no fueran muy importantes. Son el núcleo de la comprensión de la física nuclear, ya que son la única forma de probar los niveles y estados de energía nuclear. En este contexto, es importante señalar que John Cockroft y Ernest Walton (con Mark Oliphant) realizaron la primera reacción nuclear controlada por humanos en 1932, midiendo la dependencia energética del Li7(p,$\alpha$)$\alpha$reacción. Sin estas medidas, la física nuclear no iba a ninguna parte (y su medida de la energía liberada está dentro del 1% del valor Q actualmente aceptado, no está mal para la primera medida). Cockroft también formó parte del Comité MAUD, pero se dedicó al trabajo de radar para la guerra. Cockroft y Walton ganaron el Premio Nobel de 1951 “por su trabajo pionero sobre la transmutación de núcleos atómicos por partículas atómicas aceleradas artificialmente”.

Por lo tanto, estaría de acuerdo en que la 'mecánica cuántica', como la que toma un estudiante universitario, no era necesaria en absoluto para el Proyecto Manhattan. Sin embargo, en la década de 1930, la mecánica cuántica estaba generalmente bien establecida y estaba evolucionando rápidamente hacia lo que ahora llamamos física nuclear y de partículas. La mayoría de los nombres que menciona son más conocidos por estos esfuerzos posteriores. El hecho de que 1932 vio el descubrimiento del neutrón, la primera división de un átomo controlada por humanos, y que en 1933 se dio cuenta de que era posible una reacción en cadena muestra cuán rápido la gente estaba tomando la mecánica cuántica 'clásica' y aplicando esos conceptos para comprender la energía nuclear. y física de partículas. Durante el Proyecto Manhattan se dieron grandes pasos, experimental y teóricamente, en la comprensión de la física nuclear y en la realización de la física nuclear como arma.