21 sept. 2010

Werner Karl Heisenberg


Werner Karl Heisenberg, físico y premio Nobel, desarrolló un modelo de mecánica cuántica, cuya indeterminación o principio de incertidumbre ha ejercido una profunda influencia en la física y en la filosofía del siglo XX. Nació el 5 de diciembre de 1901 en Wurzburgo, Alemania. Sus padres fueron August Heisenberg y Anna Wecklein. Cuando Werner nació, su padre recién había sido promovido de profesor de escuela de lenguas clásicas a docente en la universidad de Würzburg. Su suegro Nikolaus Wecklein era el director del Maximilian Gymnasium de München cuando conoció, mientras hacía su práctica como profesor de idiomas, a la madre de Werner. August y Anna se casaron en mayo de 1899. Werner tuvo un hermano mayor que él Erwin, que nació en marzo del 1900.

En septiembre de 1906, poco antes de cumplir cinco años de edad, Werner inició su enseñanza primaria en una escuela de Würzburg. Pasó tres años en esa escuela, hasta que su padre fue nombrado, en 1909, profesor de griego en la universidad de München. En junio de 1910, algunos meses después de que su padre asumiera su nuevo cargo docente, Werner y el resto de la familia se mudaron a München. Allí, a partir de septiembre de ese año, Werner asistió a clases en la escuela Elisabethenschule. En 1911, ingresa a estudiar al Maximilian Gymnasium de München, donde era director su abuelo materno.


Heisenberg (derecha) y su hermano Erwin con su padre, profesor universitario, antes de irse al frente de batalla en la Primera Guerra Mundial en 1914. (Crédito fotografía: Max-Planck-Institut, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Cuando comenzó la Primera Guerra Mundial, en 1914, el edificio del Gymnasium pasó a convertirse en un cuartel del ejercito. Por ello, las clases tuvieron que ser impartidas en distintos espacios acondicionados, lo que implicó un deterioro de la educación. Lo anterior, Heisenberg lo asumió estudiando de manera independiente una serie de asignaturas que probablemente tendrían un efecto beneficioso en su educación. Matemáticas, física y religión fueron su elección prioritaria, aunque en general su rendimiento en todas las asignaturas escolares fue excelente. Sus habilidades en matemáticas eran tales que pudo coadyuvar en cálculo a amigos universitarios de la familia. Durante ese período de la guerra, Heisenberg perteneció a una organización paramilitar que funcionaba en el Gymnasium, con el objetivo de preparar a los hombres jóvenes para combatir en la guerra.

También en ese período de la Primera Guerra Mundial, Heisenberg trabajó en granjas como su contribución a otra organización voluntaria que enviaba a los jóvenes a los campos en primavera y verano a ayudar en las labores agrícolas. La primera vez que le tocó hacerlo, fue en 1918, lejos de su hogar paterno, ya que lo enviaron a una granja ganadera en la Alta Bavaria. Era una época de grandes dificultades con largas horas de trabajo y escasez de alimentos. En sus períodos de descanso pasaba su tiempo jugando ajedrez, lo que hacía muy bien, y leía y estudiaba textos de matemáticas que había llevado. En ese tiempo, Heisenberg se interesó especialmente en la teoría de los números, en el trabajo de Kronrcke y trató de solucionar el último teorema de Fermat.

Finalizada la guerra en 1918, la situación en Alemania llegó a ser muy inestable con diversas facciones que intentaban tomar el poder por la fuerza. Heisenberg participó en la supresión militar de las fuerzas comunistas bávaras, pero aunque era algo muy serio, los hombres jóvenes casi lo tomaban como un juego. Él se refirió más adelante sobre este hecho, de la siguiente manera:

Era un muchacho de 17 años y lo consideraba como una clase de aventura... era como jugar a los policías y a ladrones...

Giovanni Gentile, George Placzek, Rudolf Peierls, Gian Carlo Wick, Felix Bloch, Heisenberg, Victor Weisskopf, Fritz Sauter. (Fotografía: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Rudolf Peierls Collection)

En el Gymnasium Heisenberg formó un movimiento juvenil y, luego, condujo un movimiento de la juventud dentro de la liga bávara denominado Bund Deuscher Neupfadfinder. Este grupo de adolescentes potenciaba las salidas al aire libre, especialmente a la montaña, al tiempo que prohibía el fumar y beber. Este espíritu romántico marcó definitivamente su personalidad y permite comprender muchas de sus actuaciones posteriores.

En 1920, él rindió su examen de licenciatura secundaria y fue uno de los dos alumnos del Maximilian Gymnasium que compitió en Bavaria por una beca de la Fundación Maximilianeum. Once becas estaban disponibles y Heisenberg se ganó una de ellas al ocupar el undécimo lugar entre todos los postulantes. Sus resultados en los exámenes de matemáticas y física fueron clasificados como extraordinarios, pero su ensayo sobre «el arte poético de una tragedia» fue considerado bastante malo.

En el período comprendido entre su licenciatura secundaria y su ingreso a la universidad de München, Heisenberg solía salir de excursión con su grupo de la juventud. En una de esas excursiones que el grupo realizó, pernotaron en la noche en un castillo que había sido utilizado como hospital militar, allí Heisenberg se contagió de tifus, lo que casi le cuesta la vida. Se recuperó, a pesar de los problemas para obtener una alimentación conveniente, en el período de inicio de sus estudios en la universidad. Durante el verano de 1920, Heisenberg estuvo, como lo había hecho frecuentemente, estudiando matemáticas puras en la universidad. Estudió completamente los textos de Weyl y Bachmann, lo que le permitió analizar completamente la teoría de números, tema que había previsto para su tesis de doctorado. Tomó contacto con Ferdinand von Lindemann para solicitarle que fuera su profesor guía en el desarrollo de sus investigaciones.

Tuvo con Lindemann una reunión que puede ser considerada para Heisenberg como exitosa, ya que de una u otra manera influyó para que hoy sea reconocido como un teórico excepcional de números. Sin embargo, la entrevista en sí no fue tan buena para los propósitos que se había fijado Heisenberg, ya que Lindemann tenía planeado retirarse luego de las actividades académicas y había recibido a Heisenberg como un favor a su padre que era un amigo y colega. Después de este hecho, Heisenberg tuvo un encuentro con Arnold Sommerfeld, quién lo aceptó feliz como estudiante.

Teniendo a Wolfgang Pauli como compañero, Heisenberg comenzó a estudiar física teórica, en octubre de 1920, bajo la orientación pedagógica de Sommerfeld. Al principio, lo hizo con cautela, cerciorándose que podría cambiarse a matemáticas si fracasaba en los estudios de esa disciplina. Sin embargo, evitó las clases de Lindemann, lo que implicó el cambio de sus intereses en las matemáticas por los de la geometría. Pronto su confianza en la física teórica fue tal que ya en el segundo semestre tomó todas las clases de Sommerfeld . Paralelamente, asistió a todas las cátedras de física experimental, que eran obligatorias y, además, comenzó a planear emprender investigaciones en relatividad. Sin embargo, Pauli, que en aquella época se encontraba trabajando para un importante examen sobre la teoría de la relatividad, lo aconsejó que desistiera sobre ese propósito y de que centrara sus esfuerzos en la estructura atómica, ya que entonces se daba la situación sobre este tema de que la teoría no coincidía con la experimentación.

Heisenberg, describió así sus primeros años como estudiante universitario:

Mis primeros dos años en la universidad de München pasaron entre dos mundos absolutamente diversos: entre mis amigos del movimiento de la juventud y en el reino abstracto de la física teórica. Ambos mundos estaban llenos de un intensa actividad y de gran agitación, lo que me reportó dificultades para convivir entre ambos.

En junio de 1922, Heisenberg visitó la universidad de Göttingen para asistir a algunas conferencias de Niels Bohr. De regreso a München, Sommerfeld le dio como trabajo resolver un problema en hidrodinámica, con el objeto de tenerlo ocupado mientras él visitaba, por razones académicas, los EE.UU., entre 1922 y 23. Heisenberg presentó sus resultados preliminares sobre el problema en una conferencia en Innsbruck antes de volver de nuevo a Göttingen para estudiar con Max Bonr, Otto Franck, y David Hilbert, mientras que su profesor guía se encontraba ausente. Allí trabajó con Bonr en la teoría atómica y colaboró estrechamente con él en el desarrollo de la mecánica cuántica. Finalmente, Heisenberg se doctoró en München en 1923, versando su tesis de grado sobre la turbulencia de los fluidos.

Después de doctorarse, Heisenberg viajó a Finlandia, en octubre de 1923, retornando posteriormente a Göttingen como asistente de Born. En marzo de 1924, visita el Instituto de Física Teórica de Copenhagen que era dirigido por Niels Bohr. En esa ocasión, conoció allí a Albert Einstein. Posteriormente retorna a Göttingen y, el 28 de julio de 1924, obtiene su calificación como decente para impartir enseñanzas en las universidades alemanas.

Sobre su período como estudiante universitario, Heisenberg escribió:

Aprendí optimismo de Sommerfeld , matemáticas en Göttingen, y física con Bohr.

A partir de septiembre de 1924 hasta mayo de 1925 Heisenberg trabajó, financiado por Rockefeller, con Niels Bohr en la universidad de Copenhague. Analizando allí los trabajos teóricos de Bohr, se cercioró de los inconvenientes que presentaba el modelo de átomo desarrollado por éste. Pese a su creciente aceptación, la teoría atómica de Bohr tenía severas deficiencias. Aunque los cálculos basados en la teoría encajaban perfectamente con el átomo de hidrógeno, no conseguían explicar los espectros de otros elementos. El comportamiento de los átomos con más de un electrón era evidentemente demasiado complicado para poder ser descrito por el sencillo modelo de Bohr.

De regreso a Göttingen, en el verano de 1925, Heisenberg; su supervisor académico, Max Born; y otro estudiante, Pascual Jordan, se dedicaron a construir los fundamentos matemáticos para el estudio de los átomos. Heisenberg, reformuló la teoría cuántica de Bohr desechando la noción de los electrones saltando de un lado para otro entre las llamadas órbitas. ¿Acaso los planetas hacían esto? Por supuesto que no. Entonces órbita no era el concepto adecuado. El lenguaje inexacto se estaba entrometiendo en el camino del conocimiento, pensó Heisenberg.

Volviendo a los hechos concretos de las líneas espectrales, dispuso la evidencia en una forma conocida como matriz. Como, un mapa de distancias entre ciudades, la matriz listaba posibles «estados» del electrón (prefería este término al de «órbitas») a través de hileras y columnas. Cada entrada en la matriz consistía en un símbolo que representaba la intensidad y la frecuencia de la línea especial que un electrón emitiría o absorbería al saltar de, digamos, el estado 1 al estado 2, o del estado 10 al estado 9. Usando una técnica algebraica que le permitía multiplicar matrices de atributos diferentes, como energía o impulso, y con la ayuda matemática de Borne y Jordan, Heisenberg desarrolló una forma de calcular las propiedades espectrales de los átomos. Así podía predecir las características de las líneas espectrales que serían emitidas por los electrones de cualquier átomo cuando saltaran de un estado de energía a otro. Esto no se había hecho nunca antes.

La mecánica de matriz o matricial fue desarrollada a fondo por Heisenberg, Born y Jordan y, publicada en 1926, con el crédito para los tres. En mayo de 1926, Heisenberg fue designado profesor de física teórica en Copenhague donde él trabajó con Niels Bohr . En 1927, fue nombrado profesor titular de cátedra en la universidad de Leipzig, dando su primera conferencia allí el 1 de febrero de 1928. Desempeñó ese puesto hasta 1941, cuando fue nombrado director del Instituto de Física Kaiser Wilhelm en Berlín.

Por otra parte, la mecánica matricial fue el primer paso hacia la nueva teoría cuántica de los átomos. Mientras Heisenberg trabajaba con Max Born y Pascual Jordan en Göttingen, elaborarón una versión completa de la nueva teoría cuántica, una nueva dinámica que servía para calcular las propiedades de los átomos, igual que había servido la mecánica de Newton para calcular las órbitas de los planetas. Aunque la mecánica cuántica (como se la denominaría más tarde) concordaba magníficamente con el experimento, a sus creadores les resultaba difícil interpretarla como imagen de la realidad. La imagen visual simple de la realidad material que se deduce de la vieja mecánica newtoniana (planetas que orbitan el Sol o movimiento de las bolas de billar) no tiene analogía en la mecánica cuántica. Las convenciones visuales de nuestra experiencia ordinaria no pueden aplicarse al micromundo de los átomos, que hemos de intentar entender de otro modo.

Heisenberg (izquierda) esbozó la idea sobre el principio de incertidumbre mientras trabajaba con Niels Bohr (derecha) en Copenhagen. ( Crédito fotografía: P Ehrenfest Jr, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives, Weisskopf Collection)

Para concebir el mundo cuántico Heisenberg y Niels Bohr se esforzaron por hallar una estructura nueva que estuviera de acuerdo con la nueva mecánic a cuántica. Heisenberg descubrió, cuando intentaba resolver estos problemas interpretativos, el «principio de incertidumbre», principio que revelaba una característica distintiva de la mecánica cuántica que no existía en la mecánica newtoniana.

Según el principio de incertidumbre, ciertos pares de variables físicas, como la posición y el momento (masa por velocidad) de una partícula, no pueden calcularse simultáneamente con la precisión que se quiera. Así, si repetimos el cálculo de la posición y el momento de una partícula cuántica determinada (por ejemplo, un electrón), nos encontramos con que dichos cálculos fluctúan en torno a valores medios. Estas fluctuaciones reflejan, pues, nuestra incertidumbre en la determinación de la posición y el momento. Según el principio de incertidumbre, el producto de esas incertidumbres en los cálculos no puede reducirse a cero. Si el electrón obedeciese las leyes de la mecánica newtoniana, las incertidumbres podrían reducirse a cero y la posición y el momento del electrón podrían determinarse con toda precisión. Pero la mecánica cuántica, a diferencia de la newtoniana, sólo nos permite conocer una distribución de la probabilidad de esos cálculos, es decir, es intrínsecamente estadística.

Heisenberg (derecha) y Erwin Schrödinger (izquierda) con el Rey de Suecia en la ceremonia del premio Nobel en 1933. (Crédito fotografía: Max-Planck-Institut für Physik, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives)

En 1932, Heisenberg fue galardonado con el premio Nobel de física por: La creación de la mecánica cuántica, cuyo uso ha conducido, entre otras cosas, al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno.

Heisenberg, en 1928, publicó “Los Principios Físicos de la Teoría Cuántica”. En 1929, viajó dando conferencias a los Estados Unidos, Japón, y la India. En los años 30, Heisenberg y Pauli utilizaron un método de cuantización para determinar un espacio cuadriculado. Heisenberg esperaba que esta característica matemática fuera fundamental en la estructura de la naturaleza con una «longitud fundamental» semejante a una constante.

En 1932, Heisenberg escribió un ensayo compuesto de tres partes, en el cual representaba una expresión moderna del núcleo de un átomo. En él, describió la estructura del núcleo con las interacciones energéticas de sus respectivos componentes y las estabilidades de éstos. Este ensayo abrió las puertas para aplicar la teoría cuántica al núcleo atómico.

En 1935, los nazis promulgaron una ley en Alemania la cual establecía que los docentes mayores de 65 años debían retirarse de sus actividades académicas. Sommerfeld tenía 66 años y había manifestado su deseo de ser substituido, en su cargo en la universidad, por Heisenberg cuando concretara su retiro. Se trataba de una posición académica muy del agrado de Heisenberg. Sin embargo, en esa época en Alemania, los nazis ya habían llegado al extremo de calificar a la relatividad y a la mecánica cuántica como ciencia judía y, además, propugnaban que las «matemáticas alemanas» substituyeran a las «matemáticas judías» y la «física alemana» a la «física judía». Lo anterior, le trajo como consecuencia a Heisenberg que los nazis bloquearan su posibilidad de ocupar la vacante dejada por Sommerfeld en la universidad de München. Aunque él no era de manera alguna judío, igualmente era atacado por la prensa gubernamental alemana que señalaba que su modo de hacer ciencia era de «estilo judío».

Gracias a la mediación de su familia ante Himler, el 21 de julio del 1938 Heisenberg fue exonerado de todos los cargos que le formularon, tanto la prensa como las SS. También, en ese mismo año, Heisenberg tuvo que afrontar una difícil decisión. La guerra se veía inminente. Muchos físicos alemanes de origen judío habían sido desposeídos de sus posiciones académicas y optaban por la emigración. En julio de 1939, Heisenberg viajó a los Estados Unidos, en donde se le trató de persuadir para que se quedase allí. Heisenberg, no obstante, decidió regresar en Alemania. El 1 de septiembre empezó la guerra.

Heisenberg se había casado con Elisabeth Schumacher en 1937. La había conocido por su afición a la música, ya que fueron presentados en un concierto que se efectuaba en la casa de un amigo común. Heisenberg era un excelente pianista. En ese entonces, Elizabeth tenía solamente 22 años y Werner treinta y cinco. Se casaron tres meses después de su primer encuentro, el 29 de abril de 1937. Fue justo en la época en que los nazis bloquearon la posibilidad de Heisenberg de sustituir a Sommerfeld en la universidad de München.

Durante la segunda guerra mundial Heisenberg dirigió el fracasado proyecto alemán de las armas nucleares. En él, trabajó con Otto Hahn, uno de los descubridores de la fisión nuclear, en la construcción de un reactor nuclear, pero no pudo desarrollar un programa eficaz para armas nucleares. No se tiene claro si lo último se debió a una carencia de recursos o de deseo de poner ese tipo de armas en manos de los nazis.

Después de la guerra lo internaron junto a otros destacados físicos del proyecto nuclear alemán en Gran Bretaña, recluyéndolos en un recinto conocido como Farm Hall, un edificio en la ciudad británica de Godmanchester, cerca de Cambridge, estrechamente vigilados y espiados por los servicios de inteligencia militar aliados. Sus conversaciones fueron grabadas y puntualmente comunicadas al general Groves, director del proyecto Manhattan. Fue durante esta reclusión que Heisenberg se enteró de la explosión de las primeras bombas atómicas en Hiroshima y Nagasaki. Exonerado de culpas, volvió a Alemania en 1946 y fue designado director del Instituto Max Planck de Física y Astrofísica en Göttingen. Cuando el instituto se trasladó a München, en 1958, Heisenberg continuó siendo su director. Desempeñó ese cargo hasta su dimisión en 1970.

También en su vida profesional Heisenberg se interesó en la filosofía de la física, publicando en 1962, “Física y Filosofía” y en 1971, “Más Allá de la Física”

Heisenberg murió el 1 de febrero de 1976 en su casa de München, dejando una familia compuesta por su viuda y siete hijos.

Heisenberg recibió, además del premio Nobel de física, muchísimos honores por sus notables contribuciones a la ciencia. Fue designado Fellow of the Royal Society of London, y miembro de las academias de Göttingen, de Baviera, de Sajonia, de Prussia, de Suecia, de Rumania, de Noruega, de España, de los Países Bajos, de Roma, de Naturforscher Leopoldina, de Lincei, y de la American Academy of Sciences. También fue galardonado con el premio Nicolás Copérnico.



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