El concepto de reacción en cadena —un proceso que se hace cada vez más rápido multiplicando las entidades que reaccionan a medida que avanza— entró en la química en 1913 y en la física unos veinte años más tarde. Una característica de tales reacciones es que empiezan lentamente, a veces tras una pausa marcada, y se aceleran de forma explosiva. El ejemplo más familiar es la fisión nuclear: cuando un neutrón choca con un átomo de uranio (235U) y es capturado, el núcleo se rompe en dos y libera dos o tres neutrones. Estos, a su vez, actúan sobre los átomos de uranio circundantes y el proceso de fisión se acelera bruscamente. En química se habían observado en el siglo XIX reacciones autocatalíticas con características similares y habían intrigado a luminarias tales como Robert Bunsen, el gran químico alemán.
Max Bodenstein, un destacado químico físico, hizo un notable trabajo en Alemania sobre los mecanismos de los procesos químicos. En 1913 estaba intrigado por una reacción fotoinducida entre el hidrógeno y el cloro que mostraba precisamente una pausa tras la irradiación del recipiente de la reacción, se aceleraba y luego se detenía inexplicablemente. Walter Dux, ayudante de Bodenstein, describió lo que sucedió. Mientras los dos reflexionaban sobre el significado del fenómeno, Bodenstein soltó la cadena de oro de su reloj. Pidió a Dux que sostuviera un extremo, mientras él mismo retorcía el otro. «Si damos un impulso a esta cadena», decía, «se propagará a lo largo de toda su longitud, pero si sujetásemos un eslabón o lo quitásemos, el movimiento se detendría». «Quizá», dijo Dux, «esto es lo que sucede en nuestra reacción». «Buena idea. Quizá podríamos llamarlo una reacción en cadena; comprobémoslo».
La idea cuajó rápidamente y empezó a calar en la investigación sobre cinética química, especialmente en la formación de polímeros altos, las moléculas gigantes de fibras y plásticos. Tras la muerte de Bodenstein en 1942, Dux preguntó a su familia por la cadena del reloj, pero resultó que, poco después del experimento, Bodenstein la había donado patrióticamente para el esfuerzo de guerra y la había reemplazado por una cadena de acero. Dux había forjado una réplica de la cadena de oro y la donó a la Universidad de Hannover como recuerdo.
Leo Szilard (1898-1964), el físico húngaro peripatético, que vivió la mayor parte de su vida en habitaciones de hotel y cuyas pertenencias durante todo este tiempo cabían en dos maletas, salió de Berlín con la llegada de Hitler:
En el otoño de 1933, estando en Londres, me mantenía ocupado tratando de encontrar puestos para colegas alemanes que perdieron sus posiciones en sus universidades con la llegada del régimen nazi. Una mañana leí en el periódico acerca de la reunión anual de la British Association donde se informaba de que lord Rutherford había dicho que todo lo que se pudiera decir sobre la liberación de energía atómica a escala industrial era pura palabrería. Siempre me han irritado los pronunciamientos de expertos acerca de que algo no puede hacerse. Ese día estaba caminando por Southampton Row [en Bloomsbury, donde estaba su hotel] y me detuve ante un semáforo. Estaba sopesando si podría demostrarse que lord Rutherford estaba equivocado. Cuando la luz se puso verde y crucé la calle se me ocurrió repentinamente que si pudiéramos encontrar un elemento que fuera escindido por neutrones y que emitiera dos neutrones cuando absorbía un neutrón, tal elemento reunido en suficiente cantidad podría sostener una reacción nuclear en cadena, liberar energía a escala industrial y formar bombas atómicas. La idea de que esto pudiera ser posible se convirtió en una obsesión para mí. Me llevó a la física nuclear, un campo en el que no había trabajado antes.
Szilard encontró un laboratorio en Londres y trató de poner a prueba su idea, pero en esa ocasión no funcionó: ninguno de los elementos que trató de bombardear con neutrones emitía neutrones secundarios. Aun así, Szilard pensó que el esquema era bastante realista yeso le llevó algunos meses más tarde a registrar una patente y, para impedir que la peligrosa noción se hiciera pública, la asignó al Almirantazgo.
Aproximadamente en esa época, Szilard fue víctima de un fraude inocente, que superó con creces las intenciones de sus perpetradores. Estos eran dos jóvenes físicos: Carl Bosch, un alemán, y R. V. Jones [106], entonces en Oxford. Jones, presentándose como el editor del Daily Express, telefoneó a Szilard y le preguntó si podía confirmar que había inventado un rayo de la muerte radiactivo. Szilard reaccionó de manera explosiva, pues acababa de registrar su patente de la reacción nuclear en cadena, y puede imaginarse su pánico por lo que debió haber supuesto que era una filtración aunque ciertamente tergiversada.
Pasaron otros cinco años antes de que la visión de Szilard (de la que mientras tanto había desesperado) se hiciera realidad: Lise Meitner (1878-1968) era una física que había trabajado con los químicos atto Hahn y Fritz Strassmann en Berlín, en la identificación de los productos de transformaciones nucleares. Aunque judía, no había caído, como ciudadana austriaca, víctima de las leyes de empleo nazis, pero el Anschluss de 1938, cuando Austria se anexionó a Alemania, la privó de este refugio y huyó rápidamente del país antes de que pudiese ser detenida. Instalada en un laboratorio inhóspito en Suecia, no podía hacer otra cosa que mantenerse en contacto por correo con su amigo Otto Hahn. En diciembre de 1938 recibió una visita de su sobrino y físico Otto Frisch (1904-1970), que había encontrado un puesto en Inglaterra pero estaba trabajando entonces en el famoso instituto de Niels Bohr en Copenhague. Tía y sobrino tenían la costumbre de pasar juntos las Navidades y Frisch describió esta visita concreta como el suceso más trascendental de su vida.
El año anterior se había descubierto toda una serie de productos de procesos de bombardeo nuclear, que en algunos casos parecían violar el principio de que la colisión de una partícula fundamental con un núcleo sólo podía expulsar una partícula alfa (idéntica a un núcleo de helio) o una partícula beta (un electrón); el resultado predicho y hasta entonces observado era la formación de un elemento con una carga nuclear (número atómico) dos unidades menor o una mayor que la del padre. Hahn y Strassman pensaban que habían detectado isótopos de radio como productos del bombardeo del uranio. (Los isótopos son formas de un elemento que difieren solamente en el número de neutrones en el núcleo; puesto que el número de protones cargados positivamente en el núcleo y, por lo tanto, el número de electrones electronegativos fuera de él son los mismos, en términos químicos, los isótopos son idénticos). Esto parecía un resultado inexplicable, pues el radio tiene un núcleo más pequeño que el uranio, y Lise Meitner apremió a Hahn a asegurarse por completo de que tenía razón antes de publicar una anomalía tan inexplicable.
Cuando Otto Frisch llamó a su tía durante su primer día en la pequeña ciudad sueca de Kungälv donde ella estaba descansando con unos amigos, la encontró reflexionando sobre la última carta de Hahn. Así escomo él describió el encuentro:
Yo quería hablarle de un nuevo experimento que estaba planeando, pero ella no escuchaba; yo tenía que leer esa carta. Su contenido era en realidad tan sorprendente que al principio me incliné a ser escéptico. Hahn y Strassmann habían encontrado que esas tres sustancias no eran radio, químicamente hablando; de hecho habían encontrado imposible separarlas del bario que, rutinariamente, habían añadido para facilitar las separaciones químicas. Reacios y con algunas dudas habían llegado a la conclusión de que eran isótopos de bario (de la mitad del tamaño del uranio).
¿Se trataba de un error? «No», dijo Lise Meitner; Hahn era un químico demasiado bueno para eso. Pero ¿cómo podía formarse bario a partir del uranio? Nunca se habían visto salir de los núcleos fragmentos mayores que protones o núcleos de helio (partículas alfa), y para expulsar un gran número no había suficiente energía disponible. Ni era posible que los núcleos de uranio se hubiesen dividido. Un núcleo no era como un sólido frágil que pueda dividirse o romperse; George Gamow [81] había sugerido con anterioridad, y Bohr había dado buenos argumentos para ello, que un núcleo se parecía mucho más a una gota líquida. Quizá una gota podía dividirse en dos gotas más pequeñas de una forma más gradual, estirándose primero, contrayéndose después, y finalmente desgarrándose antes de partirse en dos. Sabíamos que había fuerzas fuertes que se opondrían a un proceso semejante, igual que la tensión superficial de una gota de líquido ordinario tiende a oponerse a la división en dos más pequeñas. Pero los núcleos diferían de las gotas líquidas en un aspecto importante: estaban cargados eléctricamente y se sabía que esto contrarrestaba la tensión superficial. En ese momento, ambos nos sentamos en un tronco de árbol (toda esta discusión había tenido lugar mientras caminábamos por el bosque nevado, yo con mis esquíes y Lise Meitner haciendo buena su afirmación de que podía caminar igual de rápido sin ellos) y empezamos a calcular en trozos de papel. Encontramos que la carga de un núcleo de uranio era suficientemente grande para superar casi por completo el efecto de la tensión superficial de modo que el núcleo de uranio podría parecerse realmente a una gota muy oscilante e inestable, lista para dividirse a la más mínima provocación como, por ejemplo, el impacto de un solo neutrón.
Pero había otro problema. Tras la separación, las dos gotas se alejarían debido a su repulsión electrostática mutua y adquirirían alta velocidad y con ello una energía muy grande, de unos 200 MeV [megaelectrón-voltios] en total; ¿de dónde podía venir dicha energía? Afortunadamente, Lise Meitner recordaba la fórmula empírica para calcular las masas de los núcleos y encontró que los dos núcleos formados por la división de un núcleo de uranio serían en conjunto más ligeros que el núcleo de uranio original en aproximadamente un quinto de la masa de un protón. Ahora bien, cada vez que desaparece masa se crea energía, según la fórmula de Einstein (E = mc2), y un quinto de la masa de un protón era precisamente equivalente a 200 MeV. Así que ahí estaba la fuente de energía; ¡todo encajaba!
Dos días después viajaba de vuelta a Copenhague con gran excitación. Quería someter nuestras especulaciones —realmente no eran más que eso entonces— a Bohr, que estaba a punto de salir para Estados Unidos. Él sólo podía concederme unos pocos minutos pero apenas había empezado a hablarle cuando se dio un golpe en la frente con la mano y exclamó: «¡Oh, qué idiotas hemos sido todos! ¡Esto es maravilloso! ¡Es precisamente como debe ser! ¿Habéis escrito ya tú y Lise Meitner el artículo?». «Todavía no», dije, «pero lo haremos inmediatamente» y Bohr prometió no hablar sobre ello antes de que el artículo estuviese en prensa. Entonces salió a tomar su barco.
Frisch preguntó a un biólogo norteamericano que había en el laboratorio cómo se llamaba el proceso por el que una única célula se divide en dos. «Fisión» fue la respuesta. Y Frisch acuño el término «fisión nuclear».
Véase, Keith J. Laidler, The World of Physical Chemistry (Oxford University Press, Oxford, 1993); Leo Szilard, The Collected Works of Leo Szilard: Scientific Papers, B. T. Feld y G. W. Szilard, eds. (MIT Press, Cambridge, Mass., 1972); y Otto Frisch, What Little I Remember (Cambridge University Press, Cambridge, 1979). [Hay traducción española, véase [6].]