Otto Stern i el rigor científic

Ja us he parlat alguna vegada dels que modifiquen dades de resultats experimentals per un altre fi que no és científic, potser per la fama o els diners per a les investigacions, arribant fins i tot al frau. Hi ha un llibre que parla d’ells i del que ja us vaig fer una ressenya. Potser el cas més sagnant i famós d’èpoques recents és el de la SIDA, que també vaig comentar. Avui vull posar-vos un exemple de tot el contrari. Un exemple molt més ètic i més científic.
[@more@]

De vegades, un petit canvi en un resultat experimental pot significar la validesa d’una o altra teoria o cap d’elles. Us recordo que el rigor experimental del Tycho Brahe va ser el que va permetre esbrinar a Kepler que les òrbites dels planetes al voltant del Sol eren el·líptiques i no circumferències i la minuciositat de les mesures d’en James Bradley li van fer conèixer la nutació de la Terra.

Per això, és important fer quadrar al límit els nombres deduïts de la teoria amb els resultats experimentals i a partir parlem de precisió en les mesures. Fer bé els experiments i que coincideixin amb la teoria és una part crucial en la ciència i buscar més precisió forma part del que en diem "rigor científic".

Una de les coses que té la teoria quàntica i que "no agrada" és que un mateix experiment pot donar resultats diferents. Per exemple, pot ser que l’experiment doni com resultat A el 30% de les ocasions i B el 70%. Això que avui és acceptat per la comunitat científica no ho va ser per alguns físics. Entre ells, Albert Einstein, que va deixar clar el seu rebuig amb la seva famosa frase "Déu no juga als daus".

Però no era l’únic. Dos joves físics, Otto Stern (el llavors ajudant de Einstein) i Max von Laue, mentre pujaven al Ütliberg, prop de Zurich, es van donar les mans per a fer un jurament respecte a la mecànica quàntica:

Si aquestes vacil·lades d’en Bohr resulten ser certes, abandonarem la física.

En fi, les "vacil·lades" d’en Bohr van resultar ser certes. Per sort, cap dels dos no va complir el seu jurament ja que ambdós van ser posteriorment guardonats amb el premi Nobel. La ciència hagués perdut dos grans homes.

El nostre protagonista d’avui és un d’ells: Otto Stern. Els físics el coneixen molt pel famós experimento Stern-Gerlach. Seria una mica complex descriure’l en profunditat, però diguem que posa de manifest l’existència del spin de l’electró.

Rabi deia de Stern que era el model del que havia de ser un científic. Era genial, generós i gens pretenciós. Tenia "bon gust" en la seva física: tractava de trobar infaliblement problemes de primera importància amb els que gaudia el seu enginy. La seva aproximació experimental estava marcada per l’estil i el bon judici.

Era d’alçària mitja, grassonet amb cabell negre arrissat. No tenia un rostre molt atractiu però tenia un somriure radiant i una mirada intel·ligent. Sempre estava de bon humor i era molt amable. Si prendre’s el pèl és signe d’amistat, Pauli i Stern eren grans amics. Quan Pauli era el que coneixem Stern solia riure.

Habitualment anava a menjar amb els seus ajudants. Quan havien freqüentat un determinat restaurant Stern deia que havia trobat un altre amb qualitat molt superior encara que lleugerament més car. Al cap del temps altre lleugerament més car pel mateix motiu i així successivament. Com gaudia d’una bona posició econòmica no li importava el preu del menjar però, en algun moment, un alumne o algun dels seus ajudants deia que no podia mantenir el ritme i es tornava a començar en un restaurant barat per a repetir-se el cicle posteriorment. A Stern li encantaven aquestes històries.

Quan el seu ajudant Otto Frisch es quedava amb ell fins a tarda en el laboratori, Stern li convidava a sopar en algun dels millors restaurants d’Hamburg (ja podria prendre nota més d’un cap).

Les converses amb Stern en els menjars giraven invariablement entorn a la física o al cinema. I és que el cinema li agradava tant que de vegades veia dues pel·lícules en un mateix dia. Es queixava que cap diari d’Hamburg li volgués donar treball com crític de cinema. Deia que hagués fet molt bé aquesta feina i que no hagués volgut cobrar res, doncs no ho necessitava. Bastava que algú tragués el tema d’alguna pel·lícula perquè se li il·luminessin els ulls, es recolzés a la cadira i tragués la seva pipa per a conversar.

Quan Hitler va arribar al poder, Stern va haver d’emigrar a Estats Units on va viure fins a passats els 80 anys. La mort li va sorprendre, com no, en una butaca de cinema.

Un detall graciós és que una vegada va explicar a Frisch que ell i Einstein visitaven junts els bordells locals perquè eren tranquils i relaxats i allí es podia discutir de física. Cal dir que Feynman també resolia problemes de física en els bordells, així que hauríem de replantejar-nos què és més antic, si els bordells o els problemes de física.

Perquè vegeu la serietat i el rigor dels resultats experimentals d’aquest home us explico com va fer un d’ells i les voltes que li va donar.

Ja s’havia comprovat que un feix d’electrons es comporta com un tren d’ones. Això ho va deixar clar de Broglie en 1927. Al xocar amb la superfície d’un cristall els electrons surten difractats i la difracció és una propietat de les ones. A partir d’aquesta difracció es pot mesurar la longitud d’ona dels electrons que ha de coincidir (i coincideix) amb la fórmula de de Broglie.

Bé, això ja estava clar per als electrons. La pregunta era: què passa amb un feix d’àtoms o molècules? es difractaria també? tindrien comportament ondulatori? Stern i el seu col·laborador Immanuel Estermann van possar mans a l’obra. Utilitzaven àtoms d’Heli o molècules d’hidrogen que sortien d’una bocacha a una velocitat que oscil·lava al voltant de 1,6 km/s. Stern volia una precisió molt alta: entorn del 1% d’error en el resultat experimental; pel que la velocitat d’aquestes molècules havia de ser coneguda amb detall.

Per a això va emprar el truc que Fizeau va utilitzar per a mesurar la velocitat de la llum: es feia passar el feix per un disc metàl·lic amb unes certes ranures. En el mateix eix del disc hi havia un altre idèntic a alguns centímetres de distància. Es feia girar el sistema dels dos discos de manera que els que passaven per una ranura del primer i una ranura del segon tinguessin una velocitat determinada que depenia de la velocitat de rotació dels discos que tenien ni més ni menys que 400 ranures, i que així els van encarregar. Els que duguin velocitats superiors o inferiors serien parats pel primer disc o pel segon:

Mecanisme utilitzat pel Stern

Coneguda la velocitat de les molècules del feix es feien incidir sobre cristalls, miralls, etc. Tot tipus d’experiments. Al calcular la longitud d’ona Stern es va adonar que l’error experimental respecte a la fórmula de de Broglie estava en un 3%. Molts físics haguessin donat com a bons aquest resultat, però Stern no. Havia dissenyat el seu aparell amb una precisió del 1% i això no podia ser.

Tant Stern com Estermann van dedicar dies sencers a intentar trobar la causa de l’error. Van tornar a fer totes les mesures, revisió completa de l’equip, etc. Tot estava bé. Quan Stern no va tenir altra sortida li va dir a l’Estermann que verifiqués si les ranures eren exactament 400, així que es van dedicar a comptar i recomptar ranures durant hores. Va resultar que a causa de un defecte de fabricació dels discos tenien 408 ranures enlloc de 400 i això eliminava un 2% de la discrepància, amb el que quedava la del 1% esperat. Només així, Stern va quedar satisfet.

Això, amics meus, és rigor científic.

Quan vaig llegir això, em va recordar molt altra mostra de rigor en les mesures d’altre personatge del que ja us he parlat moltes vegades. Estic parlant d’en Henry Cavendish. Us recordo que va ser qui va fer l’experiment necessari per a mesurar la constant de la Gravitació Universal de Newton (i per tant, la massa i la densitat de la Terra). Ho va fer de forma sorprenentment precisa; tanmateix, l’error experimental sempre està. John Poynting ens quantificava l’error experimental que va cometre Henry Cavendish:

Imaginem una balança prou gran com per a contenir en un plateret tota la població de les Illes Britàniques, i que s’ha col·locat en aquests platerets a tota la població excepte un noi de talla mitjana. Llavors, l’augment de pes que s’ha de mesurar seria l’equivalent a mesurar l’augment a causa de ficar al noi en un dels platerets amb la resta de persones. La precisió de la mesura seria equivalent a observar si s’ha porta o no una de les seves botes abans de pujar al plateret.

 
Fonts:
“Eurekas y euforias”, Walter Gratzer
“De la fisión del átomo a la bomba de hidrógeno”, Otto R. Frisch.
“Historia de la Ciencia”, John Gribbin
http://es.wikipedia.org/wiki/Otto_Stern

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

3 respostes a Otto Stern i el rigor científic

  1. Joan diu:

    Molt minuciós l’Stern, d’altra banda… No va ser Otto Stern qui amb el fum d’un puro va manipular de tal manera un experiment que va ajudar-los a veure’n els resultats?

  2. omalaled diu:

    No… va ser en Rutherford. Ho va fer i es va adonar que certes mesures de conductivitat canviaven i així va inventar l’aparatet detector de fums 🙂

    Però veig que ja ho sabies 🙂

    Salut!

  3. Joan diu:

    Doncs aquesta d’en Rutherford la desconeixia, a veure si en trobo alguna cosa que sembla interessant.

    Jo ara ho he mirat a l’Eurekas y Euforias (molt bo, gràcies per la recomanació) i es veu que l’Stern va distingir la plata del seu famós experiment gràcies a compostos de sofre del seu cigar barat (passava problemes econòmics).

Els comentaris estan tancats.