El viejo Cavendish

En camino a una reunión con unos zoólogos en el centro de Cambridge, que estudian suricatas y estaban interesados en nuestro trabajo con el movimiento de tortugas, nos topamos con este edificio:

Las paredes de piedra, y la entrada ojival, podrían sugerir que es uno más de los tantos edificios universitarios góticos de la ciudad. Pero las ventanas rectangulares delatan una era más pragmática. Es nada menos que el Laboratorio Cavendish, el legendario Departamento de Física de la Universidad de Cambridge. 

Hasta la segunda mitad del siglo XIX la universidad no tenía un centro para enseñar e investigar física experimental, y se estaban quedando rezagados con respecto a las universidades europeas. En 1871, William Cavendish, duque de Devonshire y Rector de la Universidad donó £6300 (como un millón a valores de hoy) para construir un laboratorio. James Clerk Maxwell (que se había graduado en matemáticas en Trinity College un par de décadas antes) fue designado Profesor e inmediatamente se puso a diseñar el edificio y a comprar el instrumental para equiparlo. En el pequeño museo que se puede visitar en la sede actual del Laboratorio (en West Cambridge, no en el edificio de la foto), están exhibidos muchos de los aparatos de Maxwell, así como de toda la gloriosa historia posterior. 

También están su escritorio original y algunos documentos. Por ejemplo, esta tarjeta postal que le mandó Maxwell a Peter Tait, su colega, amigo y compatriota en Edimburgo. Está dirigida a «Dear T'», en referencia a que T era William Thomson, Lord Kelvin (había un T", que era Tyndall). Thomson y Tait habían publicado un bien conocido libro de texto, Treatise on Natural Philosophy, que Maxwell había bautizado el T&T', nombre que pegó en la comunidad académica. La primera parte de la tarjeta postal tiene una fórmula del análisis matemático, seguida de unas preguntas («Do you know...? Poisson? on light???») donde parece pedirle referencias. Claro: el tipo era un genio, pero no podía googlear. 

Y después le dice «Any suggestions about physical laboratories thankfully received». Lo dicho: no podía googlear. Sigue: «Evitar paredes y techos de yeso donde no haya maderas para ajustar tornillos, y poner muchos pilares y vigas de madera, sin enyesar. ¿Y qué tal motores eléctricos [algo que no entiendo] baterías?». El tipo venía de publicar la teoría del electromagnetismo, la segunda gran unificación de la física (unificando los fenómenos aparentemente dispares de la electricidad y el magnetismo; la primera fue la de Newton, de los fenómenos terrestres y celestes), y aquí lo tenemos, casi con la cuchara de albañil en la mano. Igual, Tait era un matemático, andá a saber lo que le contestó. Maxwell firma de manera chistosa: dp/dt (derivada temporal de la presión), en referencia a una fórmula termodinámica que aparece en el libro T&T': dp/dt = j c m, donde a la derecha del signo igual aparecen las iniciales de Maxwell. Un nerd total.

Otro documento interesante es un plano del edificio, modificado en lápiz rojo por el propio Maxwell. El tipo estaba realmente en los detalles:

Por supuesto, lo más interesante son los instrumentos. En la vitrina que mostré arriba se destaca este hermoso espectroscopio:

Nótese que entre los dos tubos (el de la izquierda es el colimador, y el de la derecha el telescopio) falta el elemento dispersor, posiblemente un prisma de vidrio. Yo también tengo un espectroscopio (tal vez no tan antiguo, pero casi) que, a diferencia de éste, funciona perfectamente. Lo restauré hace poco, pueden verlo aquí.

En otra vitrina me llamó la atención este aparato, hecho para demostraciones de clase, imagino, que viene a ser un modelo mecánico de los anillos de Saturno. Hoy en día hacemos estas demostraciones en la computadora para mostrarles a los chicos. Es la misma idea, con otra tecnología. 

En el cartel dice que Airy sostenía que el trabajo de Maxwell sobre los anillos de Saturno era la más notable aplicación de la matemática que jamás había visto. Maxwell demostró, impulsado por la fuerza de la lógica y la física, que los anillos debían estar compuestos por partículas de movimiento independiente, cada una siguiendo su propia órbita alrededor del planeta, como tantas lunitas. Y cita de una carta: «Sigo con los anillos de Saturno. En este momento, dos anillos que se perturban uno al otro. He diseñado un aparato para exhibir el movimiento de los satélites en un anillo perturbado, y Ramage lo está haciendo, para edificar a los sensatos adoradores de imágenes». Como estoy escribiendo un paper sobre los anillos de Saturno, me llamó la atención. 

En el otro extremo de ese estante hay otro aparato notable:

Mientras editaba los trabajos de Henry Cavendish sobre fenómenos eléctricos, Maxwell usó este aparato para verificar la ley de repulsión y atracción eléctrica entre cargas que, de acuerdo a la Ley de Coulomb, depende de la inversa del cuadrado de la distancia (igual que la Ley de Gravitación de Newton). Maxwell logró determinar que la potencia no difiere de 2 en más de una parte en 21600, una medición notable. Cavendish (antes de Coulomb) lo había medido usando una balanza de torsión, que también está allí atrás, con precisión de 1 parte en 50.

Después de Maxwell, se hizo cargo de la dirección del laboratorio otro físico famoso: John William Strutt, más conocido por su título nobiliario: Lord Rayleigh (sí, el que explicó el color del cielo). Hay aparatos históricos de esa época en esta vitrina.

¿Qué habrá dentro de todos esos cajoncitos? Por las dudas que sonara una alarma y apareciera el MI6, no toqué nada. Los anillos que se ven en la parte más cercana son dos bobinas, usadas por Rayleigh para determinar el valor del Ohm, la unidad de resistencia eléctrica. Fueron diseñadas y enviadas a fabricar por Maxwell, de acuerdo a un experimento descripto en su obra Electricidad y Magnetismo, pero murió antes de poder realizarlo. Rayleigh y Grazenbrook completaron el proyecto de Maxwell, con este y otros aparatos similares que también se exhiben.

En el extremo lejano de la vitrina hay varios aparatos de la época del siguiente director, J. J. Thomson (Joseph John, pero todo el mundo usa las iniciales). Thomson se dedicó particularmente al fenómeno de descargas eléctricas en el vacío y en gases muy diluídos. Es el fenómeno que hoy en día usamos en las lámaparas fluorescentes, en los aparatos de rayos X, y hasta no hace tanto en los televisores. Este es uno de los tubos de Thomson:

Detrás del tubo se ve parte de una de las bobinas que se usaban para producir el alto voltaje necesario para la descarga eléctrica entre el ánodo y el cátodo. Thomson usó estos tubos para muchísimos experimentos cruciales que empezaron a develar la estructura de la materia, algo conjeturado por los filósofos desde la época de los antiguos griegos. Con este tubo particular, en 1897, Thomson hizo un experimento crucial: demostró que los rayos catódicos tenían carga negativa (se desviaban al aplicar un voltaje a las chapas metálicas que se ven dentro). Un segundo experimento (que no estaba en la vitrina, pero que yo hice en el curso de Física Experimental en el Balseiro) mostraba que, además, los rayos se deflectaban en una trayectoria helicoidal en un campo magnético. Ambos resultados lo llevaron a concluir que los rayos estaban compuestos por partículas materiales, con carga negativa y masa, que en la proximidad del cátodo eran arrancadas de los átomos por el intenso campo eléctrico: los electrones. Fue la primera partícula fundamental en ser descubierta. Thomson empezó a imaginar que los átomos estaban formados por estos corpúsculos, inmersos en un mar de carga positiva. Tal vez una influencia de los increíbles scons con pasas que se compran acá en cualquier panadería. Un modelo que el siguiente director, Ernest Rutherford, desmentiría. 

Pero esta nota ya se hizo muy larga, así que dejo la segunda mitad de la historia del Laboratorio Cavendish para otro día. Termino con esta foto, de Thomson rodeado por sus estudiantes en 1897.

A lo largo de las paredes del museo están estas fotos año por año. Curiosamente, la primera en color es de un siglo después, la de 1996. La pongo para comparar el crecimiento del laboratorio.

 

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El Laboratorio Cavendish es el Departamento de Física experimental de la Universidad de Cambridge. Casi toda la física teórica está en el DAMTP (Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics) que es parte del Centre for Mathematical Sciences, donde también está el Newton Institute, donde estoy actualmente.

Al día de hoy hay 30 Premios Nobel (de Física, de Química y de Fisiología y Medicina) asociados al Laboratorio.

La edición y publicación de la obra de Henry Cavendish fue la principal tarea científica de Maxwell durante sus años como director. Quedó tan impresionado que decidió cambiar el nombre del laboratorio, que inicialmente se llamaba Devonshire, por el de Cavendish. Otro día contaré también algo de él. Hoy basta decir que era nieto de William Cavendish, segundo Duque de Devonshire; el que donó el laboratorio fue el séptimo, y el de la banana es el sexto.