La Libreta

Por Jennifer Grisales

Todos en algún momento nos hemos sentido insuficientes frente a algún problema que parece gigante ante nuestros ojos. Ese sentimiento puede ser tan aplastante, que pensamos que nada podríamos hacer para sobreponernos. Esa era mi situación al final de mi pregrado. Para 2018 había llegado por fin a las materias que esperaba desde que me inscribí. Asistí a cursos cada vez más avanzados, con la esperanza de estar académicamente lista para comprender los detalles más inquietantes de la física moderna.

Sin embargo, contrario a lo que esperaba, estaba entendiendo muy poco. Y aún peor, me daba cuenta de lo mucho que desconocía, y que la vida no me alcanzaría para abarcarlo todo. ¿Qué era lo que esperaba el mundo de mí? ¿Qué debía pasar para poder estar a la altura de la profesión que estaba pronta a certificar? Desorientada y un poco decepcionada del panorama que contrastaba la expectativa con la realidad, me embarqué el el último curso de mi carrera: física atómica y subatómica.

No contaba con que esta materia me pondría por azar, frente a un artículo de 1957 de poco más de dos páginas que afirmaba haber tumbado uno de los pilares de la física. Me costaba creer que bastaba con eso. Y para mi mayor sorpresa y alegría, lo firmaba una mujer: Chien-Shiung Wu. Yo, que me sentía diminuta frente a todo lo que me faltaba por saber, tenía en las manos algo diminuto que había sido suficiente. ¿Cómo podría ser? Pues bien, para darle respuesta a esa pregunta, vamos a desentrañar juntos lo que un esquema y tres gráficas le pueden hacer a nuestra comprensión del universo. Comencemos con la historia…

Para 1956 la Guerra Fría mantenía en tensión al mundo. Además, el mapa de la ciencia se había reestructurado completamente tras la Segunda Guerra Mundial pues el epicentro se había desplazado de Europa a Estados Unidos. En ese contexto Wu había migrado allí unas décadas antes a hacer su vida académica. En esos años el mundo pretendía dividirse entre «zurdos» y «diestros»… (mucho más que ahora). Sin embargo, la división que a Wu le interesaba no era la del mapa político, sino la de la naturaleza. Inspirada por un problema teórico que llegaría a sus manos, se preguntó ¿puede la naturaleza distinguir entre izquierda y derecha?

Que pregunta más extraña. El tema me atrapó de inmediato, y no solo por la física. Me sonaba la ironía de su contexto histórico, mezclado con el hecho de que soy zurda. Crecí en un mundo con una orientación por defecto que no es la mía. Las tijeras, los pupitres, la escritura y los cubiertos (por dar ejemplos) son cosas que para casi todos son triviales, pero para nosotros son un desafío diario. Una aprende a moverse en un mundo calibrado para la otra mano sin pensarlo demasiado.

Pero ahí está el detalle. El mundo da por sentada su orientación hasta el punto de olvidar que hay una asimetría. Para funcionar, no hacía falta tenerla en cuenta. Estaba por entender cómo era que a la física moderna le pasaba algo parecido. Entonces,

¿Tiene el universo una orientación preferida?

Pues bien, la ciencia es una disciplina sostenida por pilares que solo ceden si hay suficiente evidencia para moverlos. Y entre los pilares que sostienen a la física moderna está la idea de simetría.

La simetría afecta nuestra manera de entender el mundo, ya que también las leyes de la naturaleza son simétricas. No cambian en el tiempo, ni tampoco al cambiar al cambiar de lugar. Pero hay una simetría todavía más extraña, tan cotidiana que suena tonta: la idea de que izquierda y derecha deberían ser equivalentes.

Después de todo, un espejo no altera las leyes de la física. Todo parece funcionar exactamente igual al otro lado. Las trayectorias, los movimientos, las interacciones… nada parece romperse si lo miramos por un espejo, pues no vemos que las cosas tengan una orientación preferida… Durante décadas, la física asumió como general este hecho. El universo debía comportarse igual incluso si lo observábamos reflejado en un espejo. Y justo ese era el corazón de la pregunta que quería responder el artículo de Wu.

A ese concepto se le conoce como simetría de paridad. Y para 1956, los físicos teóricos Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang estaban trabajando en un problema bastante complicado llamado el «enigma tau-theta» que desafiaba nuestro entendimiento de la materia.

El problema se enfocaba en dos partículas (los kaones tau y theta) que se comportaban muy extraño, pues en todos los experimentos eran exactamente la misma partícula (mira la figura 2), pero cuando se desintegraban, lo hacían en formas con paridades diferentes, como si fueran hijas de partículas totalmente distintas. En los procesos de desintegración, tener varios canales es lo más común. Lo raro aquí es que esos dos estados finales tienen paridad opuesta. Si la paridad se conserva, la paridad del estado final tiene que ser la misma que la del inicial, y entonces no hay manera de que un mismo objeto termine unas veces en uno y otras veces en el otro.

Para dar una respuesta, la pregunta que les quedaba a Lee y Yang por explorar era ¿y si el decaimiento no es simétrico? Si eso fuera cierto, el enigma se resolvía: tau y theta serían la misma partícula desintegrándose de dos maneras distintas. Pero sería muy raro, porque querría decir que de alguna manera, el universo distinguía entre un sentido y otro.

Para saber qué se había hecho hasta la fecha sobre la simetría de paridad, los teóricos revisaron toda la evidencia experimental disponible sobre interacciones débiles y encontraron que ¡no había ninguna!. Es decir, la conservación de paridad en la fuerza que gobierna la interacción débil nunca había sido comprobada. Llevaron la idea a Wu. Ella quedó tan fascinada y convencida del potencial de este proyecto, que teniendo todo listo para irse de vacaciones, canceló un viaje al Lejano Oriente con su esposo para concentrarse en el diseño del experimento.

Sesenta y un años después, me encontraba caminando por un pasillo de la universidad con el artículo impreso en las manos. Una sola gráfica hecha a mano como se hacían en esa época, con tres paneles y unos puntitos que comenzaban bifurcados y al cabo de unos minutos se unían… era inevitable pensar, que si todo se resumía en contar electrones (los puntitos que salen hacia un lado y los que salen hacia otro) ¿por qué nadie lo había hecho antes?

En realidad, era porque nadie creía que valiera la pena. La conservación de la paridad no era un problema abierto como los hay muchos en física, sino un supuesto muy cómodo que funciona siempre (ahora casi siempre). Cuando Lee y Yang se aventuraron con Wu a probar «lo obvio», el rumor de sus intenciones viajó rápido y varios físicos de renombre literalmente apostaron en contra: Richard Feynman le apostó cincuenta dólares contra uno a Norman Ramsey a que los experimentos no encontrarían nada (después pagó). Lev Landau sostenía todavía en octubre de 1956 que la idea era un absurdo. Y Wolfgang Pauli le escribió a Victor Weisskopf en una carta, que no creía que Dios fuera «un zurdo débil», y que estaba listo para apostar una suma muy alta a que los experimentos darían resultados simétricos.

Cuando Pauli hizo aquella afirmación ya había perdido sin saberlo, pues aquella carta tenía fecha del 17 de enero de 1957 y dos días antes Wu y el equipo ya habían presentado los resultados en una conferencia de prensa de la Universidad de Columbia.

¿Qué debe tener un experimento para ganarle a Pauli? ¿Cómo plantear un experimento para poner a prueba lo obvio? No es algo que uno se siente a pensar a la hora de la cena o en medio de un domingo de descanso. Plantear un diseño que nos permita ver lo que pasa desapercibido en nuestro mundo macroscópico requiere una comprensión de la naturaleza suficientemente profunda, y Wu la tenía. Tenía que ser algo sencillo, debía ser un experimento reproducible, completamente controlado, y el resultado debía ser suficientemente claro como para dar un veredicto definitivo. Wu se tuvo que enfrentar cuatro desafíos que resolvió uno tras otro. Y para dar respuesta a todas esas preguntas, debemos entender cómo afrontó cada uno de ellos:

El primero: alinear núcleos de cobalto-60

Un núcleo atómico gira sobre su propio eje (el famoso espín) y en condiciones normales esos ejes apuntan al azar, en todas las direcciones posibles. Wu necesitaba que todos estuvieran alineados.

Ahora, ¿por qué con cobalto-60? Que sea radiactivo y decaiga por emisión beta no basta: eso lo cumplen decenas de núcleos. La razón es un poco más sutil. Su decaimiento beta permitido implica un cambio de espín sin cambio de paridad una condición fundamental para este experimento. A eso se sumaba una ventaja práctica decisiva: ya existía una forma probada de alinear sus núcleos, el método Rose-Gorter, desarrollado teóricamente en los años 40 y demostrado experimentalmente en 1951 y 1953, que orientaba los núcleos de cobalto-60 usando nitrato de cerio y magnesio (una sal cristalina) como base, junto con un campo magnético externo.

Uno de los físicos que había demostrado esa alineación en 1953 era Ernest Ambler, así que Wu lo contactó directamente. Ambler respondió al llamado y llegó con su equipo del National Bureau of Standards en Washington (Raymond Hayward, Dale Hoppes y Ralph Hudson), expertos en el frío extremo.

Pero ¿cómo pueden enfriar algo hasta tres milésimas de grado? Ni siquiera el helio o el nitrógeno líquido llegan tan abajo… hay que usar un truco llamado: desmagnetización adiabática y es menos complicado de lo que suena: A la sal cristalina se le acerca un imán potente y todos los constituyentes del cristal se alinean como vemos en la animación de la figura 4. Luego de finalizada la magnetización, se retira el imán y de forma natural el cristal vuelve a desordenarse. Sin embargo este proceso viene con un enfriamiento. Es el mismo principio por el que un gas se enfría al expandirse, solo que acá ocurre al desordenarse.

Después de lograr la temperatura deseada, se puede lograr la magnetización del Cobalto usando otro imán (solenoide) mucho más débil, cuyo único trabajo es marcar la orientación de los núcleos. La maniobra de poner el nuevo imán debe tardar lo menos posible (ya veremos por qué). A Wu le tomaba 20 segundos.

El segundo: medir el decaimiento mientras los núcleos seguían alineados

^{Figura 5: Esquema del artículo original adaptado para LaLibreta de Ciencia. Elaboración propia.}

El cristal tiene la particularidad de emitir un destello de luz por cada electrón emitido por el Cobalto. La luz incide entonces sobre la barra de lucita que la dirige con la menor cantidad de perdida posible al fotomultiplicador que convierte la luz en una señal que puede ser leída por Wu y su equipo.

El tercero: el tiempo

El principal problema de la alineación lograda por Ambler y sus colaboradores es que no duraba mucho. Progresiva e inevitablemente, la muestra aumenta su temperatura, así que el alineamiento se pierde y el proceso dura cerca de 6 minutos. Así que Wu tenía 6 minutos menos 20 segundos que le tomaba poner el solenoide en su lugar para realizar toda la medición.

Además quedaba un asunto por resolver: ¿cómo nos aseguramos de que el cobalto sí estaba alineado durante esos seis minutos? Aquí viene un detalle elegante: Cuando el cobalto-60 se desintegra, se transforma en níquel-60, que al formarse emite rayos gamma. Si los núcleos están bien alineados, esos rayos gamma no salen igual en todas las direcciones: muestran una distribución asimétrica predecible, llamada anisotropía gamma. Este fenómeno fue usado por Wu como su control de calidad incorporado. Si los rayos gamma se comportaban como la teoría predecía, la alineación era real y la medición de los electrones era confiable.

Ahora sí, acerquémonos al artículo. Esto es lo que registraron los dos contadores de rayos gamma, el ecuatorial y el polar:

Figura 6: Control de calidad del experimento: Los dos paneles superiores de la figura 2 del artículo uno al lado del otro: la anisotropía gamma medida por los contadores ecuatorial y polar. La franja naranja en las dos gráficas muestra la ventana de tiempo en la que experimento se podía hacer.

Sin embargo la medición no se detiene a los seis minutos: sigue hasta los dieciocho. Eso tiene una razón de ser relacionada con el cuarto y último desafío…

El resultado

Simultáneamente a los gamma, Wu contó los electrones que salían en la dirección del espín del Cobalto y los que salían en la dirección opuesta. Si la paridad se conservaba, debían salir en igual número hacia ambos lados, es decir, la imagen especular sería idéntica a la realidad. Además, para asegurarse de que cualquier asimetría fuera real y no un defecto del aparato, repitió la medición con el campo magnético invertido: si el efecto era genuino, las curvas debían intercambiarse, y lo que antes apuntaba hacia arriba ahora debía apuntar hacia abajo (figura 7).

Cuarto desafío: dudar del resultado

Cuanto más extraordinario es un hecho, más necesita ser apoyado por pruebas fuertes. -Pierre-Simon Laplace, Essai philosophique sur les probabilités (1814)

Laplace hablaba en el contexto de las probabilidades, pero también podríamos pensar en un experimento. Un detector también puede engañarnos o haber sido engañado. Para ese momento, la hipótesis de que un cable, un imán o un cristal estuvieran produciendo esa asimetría era mucho más probable que la hipótesis de que el universo distinguiera entre izquierda y derecha. Así que la parte más importante del experimento venía después de la medición y consistía en responder ¿Es real esto que estoy midiendo? ¿o es un artefacto del instrumento que he pasado por alto?.

En este punto, Pauli fácilmente habría construido brillantemente varias posibles explicaciones a la gráfica obtenida, sin violar la simetría de paridad. Wu debía probar las hipótesis más plausibles y verificables y descartarlas una tras una. Ese era su verdadero trabajo.

Para lograrlo Wu verificó el detector: puso a prueba el contador, observando su respuesta en presencia de un campo magnético o de la temperatura. Pero no encontró ningún efecto. En un segundo experimento, quiso verificar si la sal presentaba alguna magnetización remanente que indujera la asimetría pero tampoco observó tal efecto.

La tercera prueba era la definitiva. Wu le hizo una trampa a su propio experimento y en lugar de depositar el Cobalto sobre la muestra de nitrato, secó una gota de cloruro de cobalto sobre un disquito de plástico y lo ensambló en el mismo lugar de la sal. Sobre el plástico, el Cobalto nunca puede magnetizarse, si la asimetría provenía del aparato, debería aparecer incluso con el cobalto desalineado. Pero esta no apareció.

Y como estocada final, frotaron cloruro de cobalto sobre la superficie de la sal para descartar que fueran los campos internos del cristal los que generaran la asimetría, pero tampoco dio resultados. Su experimento era suficientemente concluyente.

Hasta este punto, comprendemos que Wu construyó una a una las condiciones que haría desaparecer su resultado, y cuando este sobrevivió a todas y cada una, pudo concluir que era algo real. La simetría de paridad como principio fundamental había muerto.

Un desafío transversal

Lee y Yang recibieron el Premio Nobel en 1957 por la idea. Wu, que la había convertido en hecho, no fue incluida. Irónicamente, la mente que había roto el paradigma inamovible de la perfecta simetría en el universo, había sido sometida por un paradigma aún más inamovible en su época: el de género. Wu vivía en una sociedad que relegaba socialmente a la mujer mucho más que ahora y estaba tan habituada a la desigualdad que la daba por hecho hasta cierto punto. Cuando desarrolló el experimento, llevaba 12 años en Columbia sin plaza permanente. No fue sino hasta el siguiente año, en 1958 en el que se convertiría en la primera mujer con una posición estable en la historia del departamento de física de esa universidad.

Aún así, siguió recibiendo un sueldo inferior al de sus colegas, igualándose tan solo 18 años después del experimento. Sobre el Nobel no se pronunció de forma directa ni inmediatamente, pero si lo hicieron muchos colegas hombres, incluyendo Lee, Yang y Openheimer. Solo treinta años después en una carta privada, Wu manifestaría la tristeza que sintió al no haber sido reconocida por su trabajo sin siquiera mencionar explícitamente la discriminación recibida.

Es inevitable que luego de habernos sumergido en todos estos increíbles detalles físicos y anécdotas, queramos hacer un alto para procesar todo. También lo hice en aquel momento… antes de estudiar este artículo sentía que no estaba a la altura de mi profesión, sin embargo estaba maravillada por todo lo que había aprendido de un trabajo brillante y excepcional. Tenía la sensación de que había encontrado la respuesta acerca de lo que mi profesión esperaba de mí: ser lo suficientemente insistente y lo suficientemente curiosa como para explorar una idea, probarla y dudar de ella hasta que las evidencias fueran lo suficientemente fuertes como para lanzar afirmaciones al mundo.

Aún más, desarrollar una mente rigurosa pero flexible capaz de ver ciencia incluso en las trivialidades. De nunca dar por sentado algo, y más allá de saberlo todo, aspirar a desarrollar la suficiente intuición para saber cómo explorar alguna idea. Si, Wu me había enseñado (nos enseñó) cómo hacer un experimento científico de manera ingeniosa y brillante, pero lo que más me habían enseñado sus dos páginas, era que debía confiar en mi propio camino, porque la física no se trata de saberlo todo, sino de aprender a hacer las preguntas correctas.

A continuación una pequeña galería de fotos del https://invention.si.edu/invention-stories/diverse-voices-chien-shiung-wu-chinese-marie-curie y del https://www.scientificamerican.com/article/the-little-known-origin-story-behind-the-2022-nobel-prize-in-physics/

Referencias:

El experimento de Wu: Wu, C. S., Ambler, E., Hayward, R. W., Hoppes, D. D., & Hudson, R. P. (1957). Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay. Physical Review, 105(4), 1413–1415. https://doi.org/10.1103/PhysRev.105.1413

La propuesta teórica de Lee y Yang: Lee, T. D., & Yang, C. N. (1956). Question of Parity Conservation in Weak Interactions. Physical Review, 104(1), 254–258. https://doi.org/10.1103/PhysRev.104.254

La demostración previa del método Rose-Gorter (la polarización del cobalto-60 en 1953): Ambler, E., Grace, M. A., Halban, H., Kurti, N., Durand, H., & Johnson, C. E. (1953). Nuclear Polarization of Cobalt 60. Philosophical Magazine, 44(349), 216–218.

Origen teórico del método (años 40): Gorter, C. J. (1948). A New Suggestion for Aligning Certain Atomic Nuclei. Physica, 14(8), 504–506 https://doi.org/10.1016/0031-8914(48)90004-4. Rose, M. E. (1949). On the Production of Nuclear Polarization. Physical Review, 75(2), 213 https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.75.213.

El principio de las pruebas extraordinarias: Laplace, P.-S. (1814). Essai philosophique sur les probabilités. Paris: Courcier. Texto completo: https://fr.wikisource.org/wiki/Essai_philosophique_sur_les_probabilités/Texte_entier

La temperatura de 0.003 K y el montaje criogénico: National Institute of Standards and Technology. The Reversal of the Parity Law in Nuclear Physics. NIST Special Publication 958, 111–115. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/sp958-lide/111-115.pdf

Las apuestas en contra (Feynman, Landau) y la carta de Pauli del 17 de enero de 1957: Wróblewski, A. K. (2008). The Downfall of Parity — the Revolution That Happened Fifty Years Ago. Acta Physica Polonica B, 39(2), 251–264. https://inspirehep.net/files/c6106d5620fedd6e9b558b1171e39baf

Frase de Wolfgang Pauli: Giulini, D. (2009). Concepts of Symmetry in the Work of Wolfgang Pauli. In: Atmanspacher, H., Primas, H. (eds) Recasting Reality. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-85198-1_3

La rueda de prensa del 15 de enero de 1957 en la Universidad de Columbia: Toward a history of explanation in science communication: the case of Madame Wu experiment on parity violation (2017). Journal of Science Communication, 16(3), A10. https://jcom.sissa.it/article/pubid/JCOM_1603_2017_A10/

Wu propuso el cobalto-60 y diseñó el experimento; canceló su viaje para concentrarse en él: Yang, J. et al. (2025). Scientific Spirit of Chien-Shiung Wu: From Quantum Entanglement to Parity Nonconservation. arXiv:2504.16978. https://arxiv.org/abs/2504.16978

Cita de Wu sobre el coraje de dudar: Gilbert, L., & Moore, G. (1981). Particular Passions: Talks with Women Who Have Shaped Our Times. New York: Crown Publishers.

La plaza permanente en Columbia (1958), la igualación salarial (1975): National Park Service. Dr. Chien-Shiung Wu, The First Lady of Physics. https://www.nps.gov/people/dr-chien-shiung-wu-the-first-lady-of-physics.htm