Meghnad Saha envió su artículo sobre la ionización desde Calcuta el 4 de marzo de 1920, dio a los astrónomos una escala de temperatura para las estrellas y fue nominado siete veces al Nobel sin ganarlo

La ecuación de ionización de Saha da la proporción de átomos de un gas caliente que han perdido un electrón, para una temperatura y una presión dadas. Los astrónomos la usan para convertir las líneas oscuras de la luz de una estrella en una temperatura de superficie. Meghnad Saha, entonces profesor de la Universidad de Calcuta, envió el primero de sus artículos sobre el tema al Philosophical Magazine el 4 de marzo de 1920, según el físico Arnab Rai Choudhuri, del Instituto Indio de Ciencias, quien da a Saha 26 años en ese momento.

El archivo de los Premios Nobel registra a Saha como nominado siete veces, entre 1930 y 1955, y nunca ganó. Dos puntos de su historia son objeto de disputa: quién escribió primero la ecuación y por qué el Comité Nobel lo dejó de lado. Cada uno se marca más abajo, con el nombre de quien sostiene la afirmación.

Un profesor que nunca tuvo director de investigación

Saha nació el 6 de octubre de 1893 en la aldea de Seoratali, cerca de Daca, hijo del dueño de una pequeña tienda de comestibles, escribe Choudhuri. Ingresó en el Presidency College de Calcuta en 1911 y se licenció en ciencias en 1913 y obtuvo la maestría en 1915. Su compañero Satyendra Nath Bose quedó primero en ambos exámenes, y Saha segundo.

Banglapedia dice que Ashutosh Mookerjee lo nombró profesor del recién creado College of Science de Calcuta en 1916. En una carta posterior al astrónomo HH Plaskett, citada por Choudhuri, Saha contó que en 1917 le dieron a enseñar un surtido extraño: termodinámica, espectroscopia y la figura de la Tierra. Había leído toda la astronomía y la física que encontraba, incluidos dos libros de Agnes Clerke sobre el Sol y las estrellas. Choudhuri sostiene que esas lecturas dispersas le permitieron unir tres campos que los especialistas mantenían separados: la teoría del equilibrio químico, los experimentos de física atómica y la espectroscopia estelar.

El enigma en el borde del Sol

Durante un eclipse solar total la Luna cubre el disco del Sol durante unos segundos, y el gas delgado que hay justo encima de la superficie muestra su propia luz. Esa capa es la cromosfera, y su luz se llama espectro relámpago. Choudhuri dice que sus líneas brillantes a menudo caían en posiciones bastante distintas de las líneas oscuras de la luz solar corriente, y nadie sabía explicar por qué.

El calcio era el caso más claro. La luz solar corriente tiene una línea oscura de calcio neutro en 422,7 nanómetros y dos líneas de calcio al que le falta un electrón, las líneas H y K, en 396,9 y 393,4 nanómetros. En la cromosfera alta faltaba la línea neutra y las líneas H y K eran mucho más intensas. Los astrónomos pensaban entonces que esa capa era más fría que la superficie del Sol, lo que debería significar menos ionización, no más.

Saha trató la pérdida de un electrón por un átomo como una reacción química que llega a un equilibrio. Mostró que el equilibrio depende de la presión además de la temperatura. La presión baja con la altura, de modo que la proporción de calcio ionizado sube con la altura, y en la cromosfera alta casi no queda calcio neutro. Para poner cifras necesitaba la energía que arranca un electrón de cada elemento, que tomó de los potenciales de ionización medidos por Franck y Hertz, MacLennan y otros. El artículo, «Ionisation in the solar chromosphere», está en el volumen 40 del Philosophical Magazine, desde la página 472.

De las líneas del calcio a una escala de temperatura

Los astrónomos de Harvard habían clasificado las estrellas por sus espectros en las clases O, B, A, F, G, K y M. La pregunta abierta, según Choudhuri, era si las estrellas de distintos colores estaban hechas de cosas distintas. En «On a physical theory of stellar spectra», Saha mostró que una misma composición a distintas temperaturas da espectros distintos.

Suponiendo una presión de una atmósfera, halló que el calcio queda ionizado por completo una vez, con un electrón menos, hacia los 13.000 K. La línea neutra apenas se ve en las estrellas B más calientes, así que situó esas estrellas en unos 13.000 K. Un segundo electrón se desprende hacia los 20.000 K, lo que fija el punto donde desaparecen las líneas H y K. Trabajando con muchas líneas, escribe Choudhuri, Saha trasladó toda la secuencia espectral a una escala de temperatura. Cerró el artículo diciendo que los espectros despliegan procesos físicos a medida que la temperatura varía de 3.000 K a 40.000 K.

Saha había viajado a Inglaterra con una beca, y entre noviembre de 1920 y febrero de 1921 trabajó en el laboratorio de Alfred Fowler en el Imperial College de Londres. El cuarto artículo se retiró del Philosophical Magazine, se reescribió durante unos cuatro meses con las críticas de Fowler y se imprimió en los Proceedings of the Royal Society en 1921. Choudhuri señala que Saha usó 7.500 K para la superficie del Sol, cuando la cifra real ronda los 5.800 K.

Otros adoptaron la teoría enseguida. Henry Norris Russell, de Princeton, la extendió a mezclas de gases, y S Rosseland escribió en su manual de 1936 que «el impulso que el trabajo de Saha dio a la astrofísica difícilmente puede sobrestimarse».

Una predicción se puso a prueba en cuestión de semanas. Saha esperaba líneas de potasio, rubidio y cesio en los espectros de las manchas solares, donde el gas es más frío, y el 9 de julio de 1921 pidió a George Ellery Hale, del Observatorio de Mount Wilson, en California, que alguien lo comprobara. Russell, que trabajaba en Mount Wilson, respondió el 3 de agosto que «sus predicciones sobre las líneas de los metales alcalinos se han verificado por completo». Añadió que el rubidio estaba presente.

La tesis de Cecilia Payne

Cecilia Payne, una joven inglesa en Harvard, conocía el trabajo de Saha. APS News da el 1 de enero de 1925 como la fecha en que terminó su tesis, Stellar Atmospheres, que aplicaba sus ecuaciones a los espectros de Harvard. Sidney Perkowitz, de Physics World, dice que combinó niveles de energía recién medidos con la teoría de Saha y llegó a temperaturas de unos 20.000 K para las estrellas B y 3.000 K para las M.

Su resultado sobre el hidrógeno fue la sorpresa. APS News dice que en la atmósfera del Sol, a 5.700 K, solo uno de cada 200 millones de átomos de hidrógeno aproximadamente está en el estado que produce sus líneas de absorción de Balmer, de modo que esas líneas subestiman cuánto hidrógeno hay. Concluyó que el hidrógeno y el helio dominan el Sol y las estrellas.

Russell, examinador externo de la tesis, se opuso, y los relatos difieren sobre lo que ella hizo después. APS News dice que la convenció de omitir la conclusión. Perkowitz dice que el texto final calificaba la abundancia enorme de «casi con certeza no real», y que Russell llegó a las mismas abundancias por otro método en 1929.

Quién escribió primero la ecuación

Saha citó a un autor anterior en su primer artículo. Choudhuri descubrió que John Eggert, un fisicoquímico que trabajaba con Walther Nernst en Berlín, escribió la relación en un artículo de 1919, y que FA Lindemann la escribió el mismo año en una nota del Philosophical Magazine sobre las tormentas magnéticas. Eggert solo podía hacer los cálculos para el hidrógeno, al no tener manera de obtener la cifra de energía de otros elementos, y Saha lo nombró como la fuente de la ecuación.

Saha no conoció la nota de Lindemann hasta que se encontró con él en Londres en 1921, escribió a Plaskett. Plaskett respondió que los físicos de Oxford sentían que Lindemann nunca recibió suficiente reconocimiento, pero dijo que él no compartía esa duda: «fue usted quien mostró lo fecundo que era este concepto».

La conclusión de Choudhuri es que Saha fue el primero en ver que la ecuación, combinada con datos de física atómica, podía explicar los espectros estelares. No ha encontrado en la bibliografía ninguna afirmación que ponga en duda que la ecuación lleve el nombre de Saha. Sobre Fowler, Saha escribió a Plaskett en 1946 que fue invitado y colega en el laboratorio de Fowler, nunca alumno, y que sus tres primeros artículos se escribieron en la India.

Allahabad, Calcuta y el laboratorio que nunca tuvo

Saha pasó al laboratorio de Nernst en Berlín en febrero de 1921 para probar la teoría con experimentos. Choudhuri dice que ese trabajo no produjo ningún artículo publicado, aunque Saha dijo a Ashutosh Mookerjee en agosto de 1921 que había mostrado que los gases pueden ionizarse solo con calor. Volvió a Calcuta como profesor Khaira y en octubre de 1923 se trasladó a Allahabad, dice Banglapedia, donde enseñó hasta 1938. El horno que construyó allí sigue en pie en el sótano del departamento de física de la Universidad de Allahabad, escribe Choudhuri, y dio un artículo breve en 1927 con sus alumnos.

La Royal Society eligió a Saha miembro en 1927, apenas el cuarto indio elegido a principios del siglo XX, escribe Choudhuri, después de Ramanujan, Jagadish Chandra Bose y CV Raman. Citando al historiador David DeVorkin, dice que la Sociedad hizo primero indagaciones discretas sobre los vínculos juveniles de Saha con revolucionarios.

Choudhuri también recoge una disputa. SN Bose dijo que Saha carecía de buenas destrezas experimentales, lo que molestó al profesor Palit, CV Raman. En una carta de 1946 a Plaskett, Saha negó haber sido alumno de Raman: «Nunca le debí nada en la vida, salvo una mala voluntad persistente y el intento de perjudicarme siempre que pudo». Esa es solo la versión de Saha.

Science and Culture, la planificación y el Damodar

En 1935 Saha fundó la Indian Science News Association en Calcuta, y su colega DM Bose dice que usó su revista, Science and Culture, de 1935 a 1953 para defender la aplicación de la ciencia al desarrollo nacional.

En octubre de 1938 Subhas Chandra Bose, entonces presidente del Congreso, convocó una reunión de ministros de industria de los estados que creó un Comité Nacional de Planificación. Jawaharlal Nehru fue nombrado presidente, y DM Bose dice que Saha fue miembro, presidió su Subcomité de Energía y Combustibles y formó parte del de Transporte Fluvial y Riego. Bose añade que Saha combatió el plan gandhiano de aldeas autosuficientes, al que llamaba «culto de la rueca y la carreta de bueyes».

La inundación del Damodar de 1943 le dio un proyecto concreto. La página de historia de la propia Damodar Valley Corporation dice que el gobierno de Bengala nombró un Comité de Investigación de las Inundaciones del Damodar, con el maharajá de Burdwan y Saha como miembros. El comité propuso una autoridad modelada sobre la Tennessee Valley Authority de Estados Unidos y presas con una capacidad total de 1,5 millones de acres-pie. WL Voorduin, ingeniero sénior de esa autoridad, presentó un memorando preliminar en agosto de 1944, y la corporación nació el 7 de julio de 1948 como el primer proyecto multipropósito de valle fluvial de la India independiente.

DM Bose dice que la serie de Saha en Science and Culture tras la inundación propuso ese plan, y que Voorduin fue llamado por sugerencia de Saha. La página de la corporación atribuye a BR Ambedkar, entonces miembro del gabinete previo a la independencia, el impulso por parte del gobierno central. Bose reconoce a Saha el mérito de un proyecto que adaptaba el modelo de Tennessee a la India, pero consideró un error combinar riego y energía hidroeléctrica en un valle rico en carbón y quería una auditoría.

Un escaño en el Parlamento

El informe de la Comisión Electoral sobre las primeras elecciones generales da a «Meghnath Shah», del Revolutionary Socialist Party, como ganador en Calcuta Noroeste, con 74.124 votos (53,05 %) frente a 51.168 (36,62 %) de Prabhu Dayal Himatsingka, del Congreso, con una participación del 36,52 %. Shyamal Bhadra, en The Statesman, dice que Saha ganó como independiente.

DM Bose cita a Saha explicando, cuando entró en el Parlamento en 1952, que aparte del movimiento político de su juventud «viví en la torre de marfil hasta 1930». Bose dice que Saha escribió editoriales críticos sobre el primer Plan Quinquenal, y que la decisión de Nehru de poner la energía atómica a cargo de Homi Bhabha debió de decepcionarlo. Saha murió el 16 de febrero de 1956 en Nueva Delhi, dice Banglapedia, durante una visita para una reunión de la Comisión de Planificación.

El Instituto de Física Nuclear

Saha ocupó la cátedra Palit en 1938. El Saha Institute of Nuclear Physics dice que vio la promesa de la ciencia nuclear en la fisión descubierta por Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1939, incorporó la física nuclear al plan de estudios de posgrado hacia 1940 y decidió construir un pequeño ciclotrón, una máquina que acelera partículas cargadas, en lugar de comprarlo. DM Bose dice que la mediación de Nehru consiguió 60.000 rupias del Dorabji Tata Trust.

Syamaprasad Mookerjee puso la primera piedra, y el Instituto dice que se fundó en 1949. Irène Joliot-Curie inauguró el edificio el 11 de enero de 1950, fecha que hoy se celebra como Día de la Fundación. DM Bose y Banglapedia dan en cambio 1948 para la primera piedra y 1951 para la inauguración. El Instituto tomó el nombre de Saha tras su muerte.

Siete nominaciones y ningún premio

El archivo enumera sus nominaciones así: dos en Física en 1930 (de Dehendra Bose y Sisir Mitra), luego Arthur Compton en 1937, Mitra en 1939, Compton en 1940, Mitra en 1951 y Mitra en 1955. El propio Saha nominó a Arnold Sommerfeld en 1951.

Singh y Riess, que trabajaron con los papeles del Comité Nobel, dan el detalle de 1930. Se invitó a nominar a treinta y nueve personas y lo hicieron 37, con 21 recomendaciones válidas. Raman recibió 10 y Saha dos, ambas de Calcuta, en una carta conjunta fechada el 25 de enero de 1930. Los autores dicen que ningún científico occidental nominó a Saha ese año, aunque él había escrito a Niels Bohr el 30 de septiembre de 1929 que Compton pensaba hacerlo. El archivo muestra a Compton nominándolo en 1937 y 1940, no en 1930.

El geofísico Carlheim-Gyllensköld redactó un informe de algo más de cuatro páginas sobre la obra de Saha. El comité la calificó de muy importante para la astrofísica pero, en la traducción de Singh y Riess, dijo que «difícilmente podía verse como un nuevo descubrimiento físico», más bien una aplicación de datos conocidos. Juzgó que su trabajo sobre la presión de radiación selectiva era una consecuencia lógica de la ecuación de ionización. Los autores añaden su propia lectura: el efecto de Raman solo necesitaba una lámpara de mercurio y un espectroscopio, mientras que la obra de Saha exigía grandes telescopios y experimentos a altas temperaturas que pocos laboratorios podían hacer. Choudhuri señala que Saha fue uno de los tres candidatos examinados de cerca en 1930, y que el premio no había ido a un astrofísico a principios del siglo XX hasta que Hans Bethe lo ganó en 1967 por, en palabras de la citación del Nobel, «descubrimientos relativos a la producción de energía en las estrellas».

El archivo enumera nominadores, no motivos, y ninguna de las fuentes usadas aquí informa del razonamiento del comité después de 1930. La última nominación de Saha vino de Sisir Mitra en 1955.