La guerra de los magos


Con este posteo comenzamos un ciclo sobre las aplicaciones del electromagnetismo (y la ciencia en general) en la guerra. Y qué mejor que comenzar con la escena del coronel Hans Landa hablando italiano en Inglourious basterds, película de 2009 dirigida por Quentin Tarantino, y una de las mejores películas bélicas de los últimos tiempos (disponible en Netflix). Los que tengan sed de películas bélicas también pueden mirar El gran escape (1963), un clásico con Steve McQueen que fue recientemente homenajeado en otra película (no bélica) de Tarantino, y Darkest hour (2017), una película que le dio el Oscar a Gary Oldman por su impresionante interpretación de Winston Churchill (también disponible en Netflix).

Por primera vez en la historia de la humanidad, la segunda guerra mundial encontró a los países enfrentados con una comprensión amplia del electromagnetismo y sus aplicaciones. Y diversas invenciones jugaron un rol preponderante en el desarrollo de la guerra. Winston Churchill, primer ministro del Reino Unido durante la guerra, llamó al uso de la ciencia durante la guerra “la guerra de los magos“, en una serie de libros que le dieron el premio Nobel de literatura:

Durante la lucha humana entre las Fuerzas Aéreas Británicas y Alemanas, entre piloto y piloto, entre baterías antiaéreas y aviones, entre bombardeos despiadados y la fortaleza del pueblo británico, otro conflicto se desarrollaba paso a paso, mes a mes. Se trataba de una guerra secreta, cuyas batallas se perdían o ganaban sin que el público lo supiera, y que aún ahora pueden apenas ser comprendidas, con dificultad, por las personas ajenas a los pequeños círculos involucrados. Nunca hombres mortales habían librado semejante guerra. Los términos en los que se podía hablar o registrar eran ininteligibles para la gente común. Sin embargo, si no hubiéramos llegado a dominar su profundo significado y utilizado sus misterios, incluso cuando apenas los vislumbrábamos, todos los esfuerzos, todas las destrezas de los aviadores, toda la valentía y los sacrificios del pueblo habrían sido en vano. A menos que la ciencia británica hubiera demostrado ser superior a la alemana, y a menos que sus extraños y siniestros recursos se hubieran aplicado eficazmente a la lucha por la supervivencia, bien podríamos haber sido derrotados, y al ser derrotados, destruidos.

Winston Churchill, Their finest hour (1949)

Una de las invenciones que tuvieron un rol importante fue el radar. El radar tiene una relación directa con los experimentos de Heinrich Hertz para detectar ondas electromagnéticas que vimos antes del parcial. Un radar consiste en una antena que emite ondas electromagnéticas (originalmente, en la región del espectro de las ondas de radio). Si hay un obstáculo (como un avión o un barco), parte de la onda electromagnética se refleja, y la reflexión es detectada por la misma antena que emite la señal. De esta forma, el radar permite obtener información de la posición de diferentes objetos (y de la velocidad a la que se mueven si se mide el corrimiento de la señal reflejada por efecto Doppler).

Antes de la invención del radar los aviones se detectaban con una serie de personas en tierra que miraban el horizonte, y daban la señal de alarma al avistar naves enemigas. Obviamente, esto permitía prepararse para un bombardeo con muy poco tiempo. Y los aviones y los barcos no podían ser vistos en condiciones meteorológicas adversas (por ejemplo, en presencia de nubes bajas o si toda una región estaba cubierta por niebla). La invención del radar cambió esto, y cambió también las estrategias de ataque y defensa. Quien tuviera primero una red de radares instalada, tendría una ventaja sobre el enemigo.

Hacia 1939 el Reino Unido había construido una amplia red de radares, que fue seguida más tarde por la construcción de una red equivalente en Alemania. Pocos años después se comenzaron a montar radares en los mismos aviones, para permitir el bombardeo nocturno o con niebla. Ahí se reconoció la importancia de cambiar la longitud de onda de funcionamiento de los radares: la señal de radio tiene una longitud de onda entre 1 y 1000 metros, lo que genera una incerteza importante a la hora de posicionar los blancos. Usar microondas, con una longitud de onda mucho menor, mejora substancialmente la determinación de la posición (este cambio también resultó, en parte fortuitamente, en la invención del horno a microondas).

En esa época también se desarrollaron los primeros métodos para engañar a los radares, y los alemanes y británicos descubrieron independientemente que podían distraer al operador de un radar, generando falsos avistamientos de aviones, lanzando al aire muchas tiras pequeñas de papel metalizado con la longitud correcta.

El electromagnetismo también jugó roles importantes en el diseño de bombas y minas. El uso de “gatillos magnéticos” y otras variantes de gatillos permitió diseñar bombas que solo explotasen al acercarse suficientemente al casco de los barcos, o que explotasen luego de un intervalo de tiempo en lugar de hacerlo inmediatamente por contacto. Y obviamente, aunque tiene que ver con otras fuerzas, el proyecto científico más famoso de la segunda guerra mundial fue el Proyecto Manhattan en Estados Unidos, que tuvo como objetivo desarrollar una bomba nuclear. Aunque suelo recomendar la lectura en mis materias, para quienes no lo hayan leído antes, les dejo el link a las memorias del Proyecto Manhattan de un joven Richard Feynman (¡incluyen lecciones sobre como abrir cajas fuertes!):

Radio gaga


Tal vez el mejor momento de la radio haya sido la trasmisión de “La guerra de los mundos” de Orson Welles. O tal vez, como dice la canción de Queen, la radio todavía tiene que tener su mejor momento (de paso, noten que las imágenes en blanco y negro en el video de Queen son de la película muda Metrópolis de Fritz Lang, una de las primeras películas de ciencia ficción de la historia, estrenada en 1927; algunas las imágenes art decó de Metrópolis resultan futuristas aún hoy, casi 100 años después).

¿Recuerdan el método científico tal como lo cuenta Feynman en su seminario? La búsqueda de una nueva ley física comienza “adivinándola”. Luego se derivan consecuencias y predicciones a partir de esa ley “adivinada”, y finalmente se verifican (o no) las predicciones con experimentos (de paso, los que quieran leer una versión extendida de las ideas de Feynman sobre el método científico, pueden mirar su libro “The character of Physical Law“).

Cuando Maxwell escribió sus ecuaciones, una de sus primeras predicciones en un paper de 1865 fue la existencia de ondas electromagnéticas. Maxwell mostró que sus ecuaciones podían escribirse como ecuaciones de ondas con fuentes, y por tanto aceptaban soluciones de ondas viajeras. Y habiendo derivado una nueva consecuencia de las ecuaciones, la misma debía ser verificada (o no) en experimentos. Quién encontró la primer evidencia experimental de la existencia de las ondas electromagnéticas, en 1886, fue Heinrich Hertz. Hertz construyó una antena para generar ondas electromagnéticas (básicamente, un dipolo formado por dos esferas separadas por una distancia pequeña, sobre las que usaba un generador para alternar las cargas con una dependencia en el tiempo de la forma cos(2π f t) con frecuencia f = 50 Hz). Hertz puso esta antena entre dos placas de metal, de forma tal que las hipotéticas ondas electromagnéticas se reflejaran en las placas, y la superposición de ondas viajando en sentidos opuestos generasen una onda estacionaria.

¿Pero cómo medir la presencia de esta onda hipotética? Para eso, Hertz construyó el siguiente dispositivo (la imagen está editada a partir de una foto de Wikipedia):

Lo que ven en la foto es una espira abierta. Un campo electromagnético debería inducir una corriente en esta espira (básicamente, Hertz construyó lo que hoy llamaríamos una antena receptora). Pero en el extremo inferior, donde la espira podría estar en contacto cerrando el circuito, hay dos puntas separadas por una distancia muy pequeña (vean el detalle de la foto abajo a la derecha). Un tornillo micrométrico permite controlar la distancia entre ambas puntas. Así, uno puede poner las puntas muy cerca, y si se induce una diferencia de carga entre las puntas, eventualmente se puede ver una pequeña chispa cuando el circuito se cierra. Midiendo la distancia mínima necesaria entre las puntas para ver la chispa, se puede medir la intensidad del campo asociado a la onda en cada punto.

Hertz entonces se encerró en una habitación a oscuras, y fue desplazando su dispositivo a lo largo del espacio, y construyendo tablas con la distancia a la fuente, y la intensidad del campo en cada punto. Y encontró una onda con máximos y mínimos en la intensidad, y con la longitud de onda predicha por las ecuaciones de Maxwell. Esta fue la primer confirmación experimental de una de las predicciones más importantes de la teoría de Maxwell. Y abrió la puerta, por supuesto, a la invención de la radio.

Sin embargo Hertz no reconoció las posibles aplicaciones de su dispositivo. Cuando le preguntaron, contestó que no tendría ninguna aplicación, y que solo servía para probar que Maxwell estaba en lo cierto. Pero un italiano, Guglielmo Marconi, escuchó sobre los experimentos de Hertz e inmediatamente reconoció sus posibles usos. Marconi construyó el primer dispositivo de transmisión práctico usando ondas electromagnéticas, lo patentó, y lo ofreció al gobierno y la marina inglesa, que rápidamente vieron su utilidad para comunicarse a la distancia, ya sea con un telégrafo que no necesitase cables, o con los barcos en alta mar. La primera demostración del dispositivo en Inglaterra fue en 1896, y para los primeros años del siglo XX ya se realizaban comunicaciones de radio a lo largo del Atlántico. Como veremos más adelante, el electromagnetismo y la invención de la radio cambiaron, entre muchas otras cosas, al arte de la guerra.