Edward Mills Purcell: el físico que escuchó cantar al hidrógeno

Una tarde de diciembre de 1945, en un edificio de laboratorio de la época de la guerra en Harvard que aún olía a soldadura y piezas de radar, Edward Mills Purcell y dos colegas apuntaron una muestra de parafina a un receptor de radio y captaron, por primera vez, la débil señal de absorción de núcleos atómicos girando en un campo magnético. Les llevó semanas convencerse de que la señal era real. La medicina tardaría otras tres décadas en convertirla en el escáner de resonancia magnética.

Un ingeniero de tierras agrícolas descubre la física

Purcell nació el 30 de agosto de 1912 en Taylorville, Illinois, hijo de Edward A. Purcell y Mary Elizabeth Mills, y creció asistiendo a las escuelas públicas de allí y de la cercana Mattoon. Ingresó en la Universidad de Purdue con la intención de convertirse en ingeniero eléctrico, licenciándose en 1933, pero una estancia como estudiante de grado realizando investigación sobre difracción de electrones bajo la supervisión del profesor K. Lark-Horovitz lo reorientó hacia la física. Un año como estudiante de intercambio en la Technische Hochschule de Karlsruhe, Alemania, estudiando con el profesor W. Weizel, agudizó aún más ese interés. Regresó a Estados Unidos para realizar estudios de posgrado en Harvard, obteniendo su doctorado en 1938 y permaneciendo brevemente como instructor de física antes de que la Segunda Guerra Mundial remodelara su carrera, como ocurrió con casi todos los físicos de su generación.

El radar en el MIT

En 1940, Purcell se unió al Laboratorio de Radiación del MIT, el programa de emergencia que construyó el radar de microondas para el esfuerzo bélico aliado, y llegó a dirigir su Grupo de Desarrollos Fundamentales. El trabajo lo puso hombro con hombro con I. I. Rabi y otros físicos que investigaban las propiedades moleculares y nucleares mediante métodos de radio, y dejó a Purcell fluido en la electrónica de microondas exacta que necesitaría para su propio descubrimiento de posguerra. La investigación sobre el radar fue, en cierto sentido, un aprendizaje de cinco años en la instrumentación de la resonancia, aunque nadie en el proyecto estuviera pensando en la imagen médica.

Descubriendo la resonancia magnética nuclear

Al regresar a Harvard como profesor asociado después de la guerra, Purcell trabajó con Robert Pound y Henry Torrey para detectar la absorción por resonancia magnética nuclear en materia condensada: el fenómeno por el cual los núcleos atómicos en un campo magnético absorben y reemiten energía de radiofrecuencia a una frecuencia que depende de su entorno químico local. Felix Bloch y su grupo en Stanford encontraron el mismo efecto de forma independiente y casi simultánea, utilizando un método de detección diferente, y ambos equipos compartieron el Premio Nobel de Física de 1952 "por su desarrollo de nuevos métodos para mediciones magnéticas nucleares de precisión y descubrimientos relacionados con ello". El lenguaje del comité Nobel fue seco; la consecuencia no lo fue. La RMN dio a los químicos una forma exacta y no destructiva de leer la estructura de las moléculas y, décadas después, se convirtió en la base física de la resonancia magnética, permitiendo a los médicos ver el interior de un cuerpo vivo sin bisturí ni dosis de rayos X. El propio Purcell pasó rápidamente a los rincones más sutiles del fenómeno: la relajación de eco de espín, los tiempos de relajación magnética nuclear y el extraño pero real concepto de temperatura de espín negativa, un resultado que más tarde resultaría relevante para la teoría del láser.

Escuchando a la galaxia

La curiosidad científica de Purcell no se detuvo en la mesa de laboratorio. Predijo y luego ayudó a confirmar la detección de la línea de emisión de radio de 21 centímetros de átomos de hidrógeno neutro dispersos por el espacio interestelar, una señal tan débil que encontrarla requirió extender las mismas técnicas de resonancia que habían producido la RMN a distancias astronómicas. La línea de 21 centímetros permitió a los astrónomos mapear por primera vez la estructura espiral de la Vía Láctea y fundó efectivamente el campo de la radioastronomía como una disciplina sistemática. Fue un caso raro en el que la técnica de laboratorio de un físico remodeló tanto la medicina como la cosmología en una sola carrera.

Profesor, autor de libros de texto y asesor presidencial

De vuelta en Harvard, Purcell ascendió a profesor titular en 1949 y finalmente ocupó el título de Profesor Universitario Gerhard Gade. Fue presidente de la Sociedad Estadounidense de Física y perteneció a la Academia Nacional de Ciencias y a la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias. Su estatus científico lo llevó al servicio gubernamental: formó parte del Comité Asesor Científico del Presidente desde 1957 bajo Dwight Eisenhower y continuó asesorando a John F. Kennedy y Lyndon Johnson, parte de la generación de físicos-estadistas que la Guerra Fría convocó en Washington. También dejó una marca en la pedagogía de la física mucho más allá de sus propios descubrimientos, siendo autor del libro de texto Electricidad y Magnetismo como parte del Curso de Física de Berkeley, un proyecto financiado por la NSF en la era del Sputnik, notable por tejer la relatividad especial directamente en la presentación del electromagnetismo, una elección pedagógica que aún admiran los profesores de física. También se le recuerda por una conferencia ampliamente citada de 1976, "La vida a bajo número de Reynolds", que explicó con sorprendente claridad por qué nadar a escala microscópica (para una bacteria, por ejemplo) obedece a reglas físicas completamente diferentes que nadar a escala humana, e introdujo lo que llegó a llamarse el teorema de la vieira para el movimiento recíproco en fluidos viscosos. Entre los honores posteriores se incluyen la Medalla Oersted en 1967 y la Medalla Nacional de la Ciencia en 1979.

Por qué a Edward se le llama genio

El argumento para llamar a Purcell un genio se basa menos en un destello único de perspicacia que en una rara consistencia de intuición en la construcción de instrumentos aplicada a escalas muy diferentes. La misma técnica (excitar espines nucleares con ondas de radio y leer la débil señal que devuelven) le permitió encontrar un fenómeno de laboratorio con resultados químicos y médicos inmediatos y, pocos años después, detectar un susurro de átomos de hidrógeno dispersos por la galaxia. Colegas y posteriores historiadores de la ciencia han señalado ese rango, además de su capacidad para explicar la física difícil en lenguaje sencillo, como la marca de una intuición física inusualmente profunda más que una mera facilidad técnica. El contraargumento honesto es que Purcell no descubrió la RMN solo o de forma aislada: el equipo de Felix Bloch alcanzó la misma física de forma independiente en cuestión de semanas utilizando un método diferente, y Purcell se basó directamente en la electrónica de radar de guerra desarrollada por cientos de ingenieros en el Laboratorio de Radiación del MIT. Su genio, si es que lo hubo, residía en reconocer lo que una pieza familiar de hardware de radar podía revelar sobre el interior invisible de la materia y, luego, en explicar esa revelación, en libros de texto y conferencias, con tanta claridad que se convirtió en conocimiento común para la próxima generación de físicos.

Legado

Purcell murió el 7 de marzo de 1997 en Cambridge, Massachusetts, a la edad de ochenta y cuatro años. La técnica que ayudó a descubrir en un laboratorio de radar convertido se encuentra ahora en las salas de resonancia magnética de hospitales y departamentos de química de todo el mundo, y el método de mapeo del cielo que fue pionero sigue siendo una herramienta de trabajo de la radioastronomía: un caso raro de la visión de un físico que remodela la medicina y la cosmología al mismo tiempo.