“Now I am become Death, the destroyer of worlds.”
El número imaginario y la física nuclear
En agosto de 1939, una carta firmada por Albert Einstein advirtió al presidente Roosevelt sobre la posibilidad de desarrollar armas basadas en la fisión nuclear. La física detrás del cálculo de reacciones en cadena se apoya en la mecánica cuántica y en la ecuación de Schrödinger, donde la unidad imaginaria i resulta necesaria para describir la evolución de las ondas y la conservación de la probabilidad física. Seis años después se detonaron las bombas sobre Hiroshima y Nagasaki, y en 1986 ocurrió el accidente de Chernóbil. En este trabajo se explica la historia de este desarrollo, el papel del número i en la física cuántica y los datos de estos tres lugares.
El origen de la bomba en EE.UU.
De la alerta Einstein-Szilárd y Chicago Pile-1 a la prueba Trinity en Alamogordo.
Ver antecedentes →Por qué el número i gobierna el átomo
La ecuación de Schrödinger, el efecto túnel en la fisión del uranio y la necesidad de los números complejos.
Ver explicación →Los tres puntos clave
Mapa mundial interactivo calibrado: Hiroshima, Nagasaki y Chernobyl con coordenadas geodésicas reales.
Ver mapa interactivo →El inicio de la bomba en Estados Unidos
El desarrollo del armamento nuclear en Estados Unidos no comenzó por iniciativa militar interna, sino por el apremio de físicos europeos exiliados que presenciaron en Berlín el nacimiento de la física de la fisión. En septiembre de 1933, el físico húngaro Leó Szilárd concibió en Londres el principio de la reacción nuclear en cadena: si un neutrón induce la ruptura de un núcleo pesado y este libera dos o más neutrones adicionales, el proceso puede autosostenerse de forma exponencial.
Cinco años después, en diciembre de 1938, los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann bombardearon uranio con neutrones en el Instituto Kaiser Wilhelm de Berlín y detectaron bario, un elemento con casi la mitad de la masa del uranio. En enero de 1939, Lise Meitner y su sobrino Otto Frisch publicaron la explicación física: el núcleo de uranio se había escindido en dos fragmentos, liberando aproximadamente 200 millones de electronvoltios (MeV) por cada núcleo fisionado mediante la equivalencia masa-energía formulada por Einstein, E = Δm c².
Conscientes de que la Alemania nazi había suspendido la exportación de uranio de las minas checoslovacas ocupadas, Szilárd y Eugene Wigner visitaron a Albert Einstein en Long Island para advertirle del peligro. El 2 de agosto de 1939, Einstein firmó la célebre misiva dirigida al presidente Franklin D. Roosevelt. En ella señalaba:
“Ciertos trabajos recientes de E. Fermi y L. Szilard [...] me inducen a esperar que el elemento uranio pueda convertirse en una nueva e importante fuente de energía en el futuro inmediato [...] Este nuevo fenómeno permitiría la construcción de bombas de una estructura extremadamente potente.”
El banquero Alexander Sachs entregó la carta en mano a Roosevelt el 11 de octubre de 1939. El presidente ordenó de inmediato la creación del Comité Asesor del Uranio presidido por Lyman Briggs. No obstante, el esfuerzo estadounidense cobró velocidad definitiva en julio de 1941, cuando el informe británico de la Comisión MAUD demostró analíticamente que bastaban unos 10 a 12 kilogramos de uranio-235 puro para producir una explosión militar masiva y que era factible separarlo a tiempo para la guerra.
El 6 de diciembre de 1941, Roosevelt autorizó la partida presupuestaria para el desarrollo nuclear a escala industrial. El 13 de agosto de 1942, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE.UU. creó formalmente el Distrito de Ingenieros de Manhattan (Proyecto Manhattan), bajo el mando administrativo del general de brigada Leslie R. Groves y la dirección científica del físico teórico J. Robert Oppenheimer en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (Proyecto Y).
El 2 de diciembre de 1942, el equipo de Enrico Fermi alcanzó la primera reacción nuclear en cadena crítica y controlada de la historia en el reactor Chicago Pile-1. La pila consistía en 360 toneladas de bloques de grafito de alta pureza que actuaban como moderador neutrónico, intercalados con 5,4 toneladas de uranio metálico y 45 toneladas de óxido de uranio. A las 15:53, la relación de multiplicación neutrónica superó la unidad (k = 1,0006), confirmando que la fisión en cadena era reproducible y gobernable.
Dos años y medio después, tras construir los colosales complejos de enriquecimiento de uranio en Oak Ridge (Tennessee) y los reactores de producción de plutonio en Hanford (Washington), el Proyecto Manhattan realizó el 16 de julio de 1945 la primera detonación nuclear de la historia: la prueba Trinity en Alamogordo, Nuevo México.
Concepción de la reacción en cadena
Leó Szilárd deduce que si un núcleo emite 2 neutrones al fisionarse, se produce una progresión geométrica autosostenida.
Carta Einstein-Szilárd
Alerta a Roosevelt del programa nuclear alemán y propicia la creación del Comité Asesor del Uranio.
Chicago Pile-1 (Fermi)
Primera reacción nuclear en cadena crítica de la humanidad en la Universidad de Chicago con factor de reproducción k > 1.
Prueba Trinity (Alamogordo)
Detonación de implosión de plutonio con un rendimiento de 21 kilotones. Se valida experimentalmente el diseño de Fat Man.
¿Qué tiene que ver el número imaginario i con la bomba atómica?
En la física clásica newtoniana o en el electromagnetismo de Maxwell, los números complejos aparecían únicamente como un truco de conveniencia matemática: los ingenieros escribían las ondas o voltajes alternos en forma compleja, sabiendo que el campo físico real medible correspondía exclusivamente a la parte real. Sin embargo, en 1926, el físico austríaco Erwin Schrödinger formuló la ecuación fundamental del universo microscópico y demostró que en el átomo, la unidad imaginaria i = √(-1) no es un mero artificio: es indispensable para describir la evolución y estabilidad de los estados cuánticos.
i: Unidad imaginaria (i² = -1)ℏ: Constante de Planck reducida (h / 2π)Ψ: Función de onda compleja (Ψ ∈ ℂ)Ĥ: Operador Hamiltoniano de energía total1. La conservación de la probabilidad: el operador unitario e-iĤt/ℏ
En mecánica cuántica, la función de onda Ψ(r, t) no describe una oscilación mecánica material, sino una amplitud de probabilidad compleja. Según la interpretación estadística formulada por Max Born en 1926, la probabilidad medible de encontrar una partícula en un punto del espacio viene dada por el módulo al cuadrado de la función de onda:
Para que la teoría conserve la física de forma consistente, la probabilidad integrada en todo el espacio debe permanecer exactamente igual a 1 en todo instante (conservación de la probabilidad o unitariedad). La solución formal de la ecuación de Schrödinger para un estado cuántico viene dada por el operador de evolución temporal:
Aquí radica el papel indispensable de i: dado que el operador Hamiltoniano Ĥ es hermítico (Ĥ† = Ĥ), la presencia de la unidad imaginaria en el exponente asegura que el operador de evolución sea estrictamente unitario. Esto significa que la evolución cuántica en el tiempo no alarga ni encoge el estado, sino que lo hace rotar en el plano complejo preservando intacta su norma.
2. El efecto túnel cuántico y la fisión del Uranio y Plutonio
La fisión nuclear es un proceso intrínsecamente cuántico gobernado por el plano complejo. En el núcleo de uranio-235 o de plutonio-239, los protones experimentan una fuerte repulsión electrostática de Coulomb que es contenida por la fuerza nuclear fuerte residual. Esta interacción conforma una barrera de potencial cuántico.
Al absorber un neutrón térmico, el núcleo excitado de uranio-236 sufre oscilaciones deformantes. La probabilidad de que los fragmentos nucleares atraviesen la barrera y se separen liberando 200 MeV depende del efecto túnel cuántico. En la región clásicamente prohibida donde la energía potencial excede la energía total (V(x) > E), el momento lineal de la partícula se vuelve formalmente imaginario:
La función de onda se propaga como una onda evanescente compleja con atenuación exponencial e−κx. La tasa exacta de fisión nuclear calculada por Niels Bohr y John Wheeler en 1939 (The Mechanism of Nuclear Fission) descansa directamente sobre este cálculo en el plano complejo.
3. Resonancias de captura neutrónica: la fórmula de Breit-Wigner
Para que una masa de uranio o plutonio alcance la criticidad requerida en un arma nuclear, los físicos de Los Álamos necesitaban calcular la sección eficaz (σ), es decir, la probabilidad matemática de que un neutrón fisione un núcleo frente a la probabilidad de ser absorbido inútilmente.
Cerca de las energías de resonancia, este fenómeno se describe mediante la fórmula de Breit-Wigner, derivada de los polos de la matriz de dispersión cuántica S en el semiplano complejo:
El polo de resonancia se ubica en Epolo = E0 − i Γ / 2. Mientras que la parte real E0 corresponde a la energía de absorción, la parte imaginaria −i Γ / 2 determina de forma directa la vida media de desintegración cuántica del núcleo intermedio (τ = ℏ / Γ).
4. Demostración experimental contemporánea (2021–2022): la cuántica exige números complejos
Durante casi un siglo persistió la duda de si los números complejos eran una propiedad ineludible de la naturaleza o si la física podía formularse empleando solo números reales y dimensiones adicionales. En diciembre de 2021, un equipo teórico liderado por Marc-Olivier Renou demostró en la revista Nature que una formulación cuántica puramente real no puede reproducir las correlaciones de redes de entrelazamiento multipartito.
En 2022, experimentos con cúbits fotónicos y superconductores dirigidos por Jian-Wei Pan (publicados en Physical Review Letters) violaron los límites de la teoría cuántica real por más de 40 desviaciones estándar. Quedó experimentalmente demostrado: el universo físico requiere formalmente los números complejos para funcionar.
Multiplicar por i equivale a girar 90 grados
En el plano complejo (plano de Argand-Gauss), multiplicar cualquier número por i representa una rotación geométrica exacta de 90° (π/2 radianes) en sentido antihorario. Al aplicar este principio continuamente en el tiempo, obtenemos la rotación de fase e−iωt que gobierna las funciones de onda atómicas.
Cada multiplicación sucesiva por i traslada el vector un cuarto de vuelta alrededor del origen. Como i² = -1 e i⁴ = 1, el sistema se repite periódicamente en cuatro pasos:
Los tres puntos: el porqué de cada coordenada
Para este trabajo se seleccionaron tres ubicaciones clave: Hiroshima, Nagasaki y Chernobyl. Cada una ilustra una faceta distinta de la fisión nuclear: la bomba de uranio detonada mediante cañón balístico, la bomba de implosión de plutonio y el accidente ocurrido en un reactor nuclear civil.
Hiroshima, Japón
¿Por qué Hiroshima? El 6 de agosto de 1945, Little Boy fisionó uranio-235 mediante un mecanismo de cañón balístico. La ciudad fue seleccionada por el Comité de Objetivos de Los Álamos porque albergaba el cuartel general del 2.º Ejército General del mariscal Hata Shunroku (responsable de la defensa de todo el sur de Japón) y porque, al estar casi intacta de bombardeos incendiarios convencionales, permitía evaluar con precisión científica el poder destructivo de la nueva arma.
- Mecanismo: Cañón subcrítico de uranio-235 (80% enriquecimiento)
- Hipocentro: Hospital Shima (a 580 metros de altitud)
- Rendimiento: 15 ± 2 kilotones (~63 Terajulios)
Nagasaki, Japón
¿Por qué Nagasaki? El 9 de agosto de 1945, Fat Man probó la tecnología de implosión de plutonio-239, hidrodinámicamente mucho más compleja y eficiente. Nagasaki no era el objetivo primario: el bombardero B-29 Bockscar se dirigió primero a la ciudad de Kokura, pero la densa nubosidad y el humo de incendios de la vecina Yahata impidieron el lanzamiento visual. La tripulación se desvió al objetivo secundario, detonando sobre el valle industrial de Urakami.
- Mecanismo: Implosión simétrica de plutonio-239 (núcleo de 6,2 kg)
- Hipocentro: Barrio de Matsuyama-machi (a 503 metros de altitud)
- Rendimiento: 21 ± 2 kilotones (~88 Terajulios)
Chernobyl, Ucrania
¿Por qué Chernobyl? El 26 de abril de 1986, el reactor 4 de la central Vladímir Ilich Lenin (diseño RBMK-1000 de uranio enriquecido moderado por grafito) sufrió la mayor catástrofe nuclear de la historia. No se trató de una detonación bélica, sino de un descontrol neutrónico generado por un coeficiente de vacíos positivo a baja potencia y varillas de control con desplazadores de grafito, liberando unas 400 veces más material radiactivo a la atmósfera que Hiroshima.
- Instalación: Reactor RBMK-1000 (combustible UO₂ al 2% U-235)
- Excursión: Potencia de fuga superior a 30.000 MWt (>10 veces nominal)
- Emisión: 100% de gases nobles, 50-60% de Iodo-131, 30% de Cesio-137
Hiroshima, 6 de agosto de 1945
A las 08:15:17 hora estándar de Japón, el bombardero B-29 Enola Gay, pilotado por el coronel Paul Tibbets, liberó a Little Boy desde una altitud de 9.470 metros. Tras 44 segundos de caída libre balística, los sensores barométricos y el radar altímetro activaron la carga propulsora de cordita interna a 580 metros de altura sobre el Hospital Shima, disparando un cilindro hueco de uranio-235 contra una masa receptora estacionaria para alcanzar la criticidad prompta.
Rendimiento evaluado
Margen histórico de 15 ± 2 kt (~63 Terajulios)
John Malik, informe LA-8819 de Los Álamos
Masa fisionada real
Menos del 1,4% de los 64 kg de uranio fisionaron
Física del diseño tipo cañón
Víctimas a fines de 1945
Rango de 90.000 a 140.000 (trauma, quemaduras y ARS)
Fundación RERF y Cruz Roja Japonesa
Destrucción médica
Médicos y enfermeras muertos o heridos en el hipocentro
Registros sanitarios de la Prefectura
Nagasaki, 9 de agosto de 1945
El 9 de agosto de 1945, el B-29 Bockscar pilotado por Charles Sweeney despegó con la bomba de implosión Fat Man. El objetivo prioritario era la ciudad arsenal de Kokura, pero tres pasadas sucesivas fracasaron en obtener contacto visual debido a la bruma y el humo de incendios de la bombardeada Yahata. Con el combustible al límite, Sweeney se desvió hacia Nagasaki.
A las 11:02 hora local, una pequeña apertura entre las nubes permitió el lanzamiento sobre el valle industrial de Urakami. Fat Man detonó a 503 metros de altitud con un rendimiento de 21 kilotones. Sus lentes explosivas comprimieron una esfera de 6,2 kg de plutonio-239 del tamaño de una manzana hasta duplicar su densidad en microsegundos, demostrando un mayor rendimiento energético que Little Boy con una masa fisionable menor.
Rendimiento evaluado
Un 40% superior a la bomba de Hiroshima
U.S. Department of Energy (OSTI) y Los Álamos
Masa de plutonio
Aproximadamente 1 kg fisionó de forma completa
Especificaciones técnicas de Fat Man
Víctimas a fines de 1945
Rango de 60.000 a 80.000 personas fallecidas
Informe municipal de Nagasaki e ICAN
Lluvia negra (Kuroi Ame)
Precipitación oleosa de hollín radiactivo tras la explosión
Registros meteorológicos locales
Chernobyl, 26 de abril de 1986
A la 01:23:45 del 26 de abril de 1986, el reactor número 4 de la central Vladímir Ilich Lenin de Chernobyl (Ucrania soviética), de diseño RBMK-1000, estalló durante una prueba de inercia de los turbogeneradores. El desastre combinó fallos operacionales con graves deficiencias intrínsecas de física nuclear:
- Coeficiente de reactividad por vacío positivo: A baja potencia, la formación de burbujas de vapor en el refrigerante no absorbía neutrones, sino que incrementaba la reactividad neutrónica.
- Efecto desplazador de las barras de control: Las barras de control de carburo de boro tenían puntas de grafito de 4,5 metros. Al presionar el botón de parada de emergencia AZ-5, las puntas entraron primero en la parte inferior del núcleo, desalojando agua (que absorbía neutrones) y provocando un aumento súbito e incontrolable de reactividad.
- Ausencia de contención presurizada: El reactor carecía de un edificio de contención de hormigón armado hermético, a diferencia de los reactores occidentales de agua ligera.
La potencia del núcleo ascendió en fracciones de segundo por encima de los 30.000 MWt (diez veces su valor nominal). Dos explosiones sucesivas volaron la losa biológica superior de 1.000 toneladas (“Elena”), exponiendo el grafito ardiendo a más de 2.000 °C a la atmósfera durante diez días continuos.
Pico de potencia prompta
Diez veces la potencia térmica nominal de diseño
Informe INSAG-7 del OIEA (IAEA)
Síndrome de Radiación Aguda
Casos confirmados; 28 muertes en los primeros 4 meses
U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC)
Evacuación total
116.000 iniciales en la zona de 30 km; 350.000 reasentadas
UNSCEAR y World Nuclear Association
Liquidadores movilizados
Personal militar y civil para sepultar y limpiar el recinto
World Health Organization (OMS)
Little Boy frente a Fat Man frente a Chernobyl
Tabla comparativa cuantitativa basada en los informes oficiales del OIEA, Los Álamos (LA-8819), la Comisión de Regulación Nuclear (NRC) y el Comité Científico de la ONU sobre los Efectos de las Radiaciones Atómicas (UNSCEAR).
| Parámetro físico | Hiroshima (Little Boy) | Nagasaki (Fat Man) | Chernobyl (Reactor 4) |
|---|---|---|---|
| Fecha del evento | 6 de agosto de 1945 (08:15 JST) | 9 de agosto de 1945 (11:02 JST) | 26 de abril de 1986 (01:23:45 UTC+3) |
| Naturaleza del evento | Uso bélico aéreo (Fisión no guiada) | Uso bélico aéreo (Fisión no guiada) | Accidente en reactor de fisión civil |
| Mecanismo de fisión | Cañón balístico de masa subcrítica | Lentes de implosión simétrica | Excursión neutrónica por vacío positivo |
| Material fisible activo | 64 kg de Uranio enriquecido (80% U-235) | 6,2 kg de Plutonio metálico (≥93% Pu-239) | ~190 toneladas de dióxido de uranio (2% U-235) |
| Masa que fisionó realmente | Aprox. 0,7 kg de uranio (~1,1%) | Aprox. 1,0 kg de plutonio (~16%) | Combustible disperso: ~3,5% a 5% del núcleo |
| Energía / Rendimiento | 15 ± 2 kilotones TNT (~63 TJ) | 21 ± 2 kilotones TNT (~88 TJ) | Térmica: >30.000 MWt; explosiones de vapor |
| Altitud de la liberación | 580 metros sobre el suelo (aire) | 503 metros sobre el suelo (aire) | Nivel del suelo (humo elevado a 1.000 m) |
| Radionucleidos emitidos | Productos de fisión de corta y media vida | Productos de fisión y transuránicos | 100% Xe/Kr, ~50% I-131, ~30% Cs-137, Sr-90 |
| Actividad ambiental liberada | Localizada principalmente por lluvia negra | Focalizada en el valle de Urakami | ~5.200 PBq (unas 400 veces más que Hiroshima) |
| Estado actual del sitio | Reconstruida; Parque Memorial de la Paz | Reconstruida; Parque de la Paz de Nagasaki | Zona de exclusión de 30 km; confinamiento activo |
Testimonios de sobrevivientes (Hibakusha)
Hibakusha (“persona bombardeada”) es el término japonés que designa a los supervivientes de las detonaciones atómicas. La Fundación para la Investigación de los Efectos de la Radiación (RERF) ha documentado su salud durante siete décadas en el estudio de cohorte más exhaustivo de la medicina moderna.
“Descansen en paz todos los espíritus; no repetiremos el error jamás.”
“Los bomberos apagaban el grafito a patadas. Vieron el asfalto fundido bajo sus botas y respiraban un polvo que sabía a metal.”
Fuentes y bibliografía consultada
Los datos históricos, físicos y estadísticos presentados provienen de publicaciones de agencias nucleares y artículos científicos consultados:
-
Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA / IAEA) Informe INSAG-7: The Chernobyl Accident: Updating of INSAG-1 (1992). Análisis técnico oficial sobre el coeficiente de vacíos positivo y los defectos de las barras de control del reactor RBMK.iaea.org →
-
U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) Backgrounder on the Chernobyl Nuclear Power Plant Accident. Estadísticas de síndrome de radiación aguda (134 casos, 28 muertes iniciales) y protocolos de seguridad.nrc.gov →
-
Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) John Malik, The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Nuclear Explosions (Informe LA-8819, 1985). Cálculos de rendimiento neutrónico y evaluación termonuclear de Little Boy y Fat Man.lanl.gov →
-
Revista Nature (Física Cuántica y el Número i) Marc-Olivier Renou et al., Quantum theory based on real numbers can be experimentally falsified (Nature 600, 625–629, diciembre 2021). Demostración analítica de la necesidad física irreductible de los números complejos.doi.org →
-
Physical Review Letters (Pan et al.) Zheng-Da Li, Jian-Wei Pan et al., Testing Real Quantum Theory in an Optical Bell Experiment (Phys. Rev. Lett. 128, 040402, 2022). Confirmación experimental de que la física real no reproduce los entrelazamientos de la naturaleza.journals.aps.org →
-
Radiation Effects Research Foundation (RERF) Life Span Study (LSS) of Hiroshima and Nagasaki Atomic Bomb Survivors. Cohorte de 120.000 supervivientes seguida desde 1950, cuantificando excesos de cáncer sólido y leucemia.rerf.or.jp →
-
Franklin D. Roosevelt Presidential Library and Museum Documento original de la carta Einstein-Szilárd del 2 de agosto de 1939. Archivo histórico nacional de Estados Unidos.fdrlibrary.org →
-
World Nuclear Association (WNA) Monografía técnica Chernobyl Accident 1986 y ficha técnica de los reactores RBMK-1000.world-nuclear.org →