100310 - Aquiles Rodríguez - Heisenberg había presentado su propio modelo de átomo renunciando a todo intento de describir el átomo como un compuesto de partículas y ondas. Pensó que estaba condenado al fracaso cualquier intento de establecer analogías entre la estructura atómica y la estructura del mundo. Prefirió describir los niveles de energía u órbitas de electrones en términos numéricos puros, sin la menor traza de esquemas. Como quiera que usó un artificio matemático denominado “matriz” para manipular sus números, el sistema se denominó “mecánica de matriz”

Heisenberg recibió el premio Nobel de Física en 1932 por sus aportaciones a la mecánica ondulatoria de Schrödinger, pues esta última pareció tan útil como las abstracciones de Heisenberg, y siempre es difícil, incluso para un físico, desistir de representar gráficamente las propias ideas

Una vez presentada la mecánica matriz (para dar otro salto atrás en el tiempo) Heisenberg pasó a considerar un segundo problema: cómo describir la posición de la partícula. ¿Cuál es el procedimiento indicado para determinar dónde está una partícula? La respuesta obvia es ésta: observarla. Pues bien, imaginemos un microscopio que pueda hacer visible un electrón. Si lo queremos ver debemos proyectar una luz o alguna especie de radiación apropiada sobre él. Pero un electrón es tan pequeño, que bastaría un solo fotón de luz para hacerle cambiar de posición apenas lo tocara. Y en el preciso instante de medir su posición, alteraríamos ésta

Aquí nuestro artificio medidor es por lo menos tan grande como el objeto que medimos; y no existe ningún agente medidor más pequeño que el electrón. En consecuencia, nuestra medición debe surtir, sin duda, un efecto nada desdeñable, un efecto más bien decisivo en el objeto medido. Podríamos detener el electrón y determinar así su posición en un momento dado. Pero si lo hiciéramos, no sabríamos cuál es su movimiento ni su velocidad. Por otra parte, podríamos gobernar su velocidad, pero entonces no podríamos fijar su posición en un momento dado

Heisenberg demostró que no nos será posible idear un método para localizar la posición de la partícula subatómica mientras no estemos dispuestos a aceptar la incertidumbre absoluta respecto a su posición exacta. Es un imposible calcular ambos datos con exactitud al mismo tiempo

Siendo así, no podrá haber una ausencia completa de energía ni en el cero absoluto siquiera. Si la energía alcanzara el punto cero y las partículas quedaran totalmente inmóviles, sólo sería necesario determinar su posición, puesto que la velocidad equivaldría a cero. Por tanto, sería de esperar que subsistiera alguna “energía residual del punto cero”, incluso en el cero absoluto, para mantener las partículas en movimiento y también, por así decirlo, nuestra incertidumbre. Esa energía “punto cero” es lo que no se puede eliminar, lo que basta para mantener liquido el helio incluso en el cero absoluto

En 1930, Einstein demostró que el principio de incertidumbre (donde se afirma la imposibilidad de reducir el error en la posición sin incrementar el error en el momento) implicaba también la imposibilidad de reducir el error en la medición de energía sin acrecentar la incertidumbre del tiempo durante el cual se toma la medida. Él creyó poder utilizar esta tesis como trampolín para refutar el principio de incertidumbre, pero Bohr procedió a demostrar que la refutación tentativa de Einstein era errónea

A decir verdad, la versión de la incertidumbre, según Einstein, resultó ser muy útil, pues significó que en un proceso subatómico se podía violar durante breves lapsos la ley sobre conservación de energía siempre y cuando se hiciese volver todo al estado de conservación cuando concluyesen esos períodos: cuanto mayor sea la desviación de la conservación, tanto más breves serán los intervalos de tiempo tolerables. Yukawa aprovechó esta noción para elaborar su teoría de los piones. Incluso posibilitó la elucidación de ciertos fenómenos subatómicos presuponiendo que las partículas nacían de la nada como un reto a la energía de conservación, pero se extinguían antes del tiempo asignado a su detección, por lo cual eran sólo “partículas virtuales”. Hacia fines de la década 1940-1950, tres hombres elaboraron la teoría sobre esas partículas virtuales: fueron los físicos norteamericanos Julian Schwinger y Richard Phillips Feynman y el físico japonés Sin-itiro Tomonaga. Para recompensar ese trabajo, se les concedió a los tres el premio Nobel de Física en 1965

A partir de 1976 se han producido especulaciones acerca de que el Universo comenzó con una pequeña pero muy masiva partícula virtual que se expandió con extrema rapidez y que aún sigue existiendo. Según este punto de vista, el Universo se formó de la Nada y podemos preguntarnos acerca de la posibilidad de que haya un número infinito de Universos que se formen (y llegado el momento acaben) en un volumen infinito de Nada

El “principio de incertidumbre” afectó profundamente al pensamiento de los físicos y los filósofos. Ejerció una influencia directa sobre la cuestión filosófica de “casualidad” (es decir, la relación de causa y efecto). Pero sus implicaciones para la ciencia no son las que se suponen por lo común. Se lee a menudo que el principio de incertidumbre anula toda certeza acerca de la naturaleza y muestra que, al fin y al cabo, la ciencia no sabe ni sabrá nunca hacia dónde se dirige, que el conocimiento científico está a merced de los caprichos imprevisibles de un Universo donde el efecto no sigue necesariamente a la causa. Tanto si esta interpretación es válida desde el ángulo visual filosófico como si no, el principio de incertidumbre no ha conmovido la actitud del científico ante la investigación. Si, por ejemplo, no se puede predecir con certeza el comportamiento de las moléculas individuales en un gas, también es cierto que las moléculas suelen acatar ciertas leyes, y su conducta es previsible sobre una base estadística, tal como las compañías aseguradoras calculan con índices de mortalidad fiables, aunque sea imposible predecir cuándo morirá un individuo determinado

Ciertamente, en muchas observaciones científicas, la incertidumbre es tan insignificante comparada con la escala correspondiente de medidas, que se la puede descartar para todos los propósitos prácticos. Uno puede determinar simultáneamente la posición y el movimiento de una estrella, o un planeta, o una bola de billar, e incluso un grano de arena con exactitud absolutamente satisfactoria

Respecto a la incertidumbre entre las propias partículas subatómicas, cabe decir que no representa un obstáculo, sino una verdadera ayuda para los físicos. Se la ha empleado para esclarecer hechos sobre la radiactividad, sobre la absorción de partículas subatómicas por los núcleos, así como otros muchos acontecimientos subatómicos, con mucha más racionabilidad de lo que hubiera sido posible sin el principio de incertidumbre

El principio de incertidumbre significa que el Universo es más complejo de lo que se suponía, pero no irracional
 

Principio de incertidumbre según Werner Heisenberg

Es muy posible que uno de los dogmas más intrigantes en el notoriamente complejo estudio de la física cuántica sea el llamado «principio de incertidumbre de Heisenberg», principio que revela una característica distinta de la mecánica cuántica que no existe en la mecánica newtoniana. Como una definición simple, podemos señalar que se trata de un concepto que describe que el acto mismo de observar cambia lo que se está observando. En 1927, el físico alemán Werner Heisenberg se dio cuenta de que las reglas de la probabilidad que gobiernan las partículas subatómicas nacen de la paradoja -reflejada en los experimentos de pensamiento mostrados aquí- de que dos propiedades relacionadas de una partícula no pueden ser medidas exactamente al mismo tiempo. Por ejemplo, un observador puede determinar o bien la posición exacta de una partícula en el espacio o su impulso (el producto de la velocidad por la masa) exacto, pero nunca ambas cosas simultáneamente. Cualquier intento de medir ambos resultados conlleva a imprecisiones

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, sí 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. Heinsenberg ejemplificaba este notable principio de incertidumbre analizando la capacidad de resolución de un microscopio

Heisenberg ejemplificaba su hallazgo del principio de incertidumbre que hemos sintetizado arriba, analizando la capacidad de resolución de un microscopio. Imaginemos que miramos una pequeña partícula al microscopio. La luz choca con la partícula y se dispersa en el sistema óptico del microscopio. La capacidad de resolución del microscopio (las distancias más pequeñas que puede distinguir) se halla limitada, para un sistema óptico concreto, por la longitud de onda de la luz que se utilice. Evidentemente, no podemos ver una partícula y determinar su posición a una distancia más pequeña que esta longitud de onda; la luz de longitud de onda mayor, simplemente se curva alrededor de la partícula y no se dispersa de un modo significativo. Por tanto, para establecer la posición de la partícula con mucha precisión hemos de utilizar una luz que tenga una longitud de onda extremadamente corta, más corta al menos que el tamaño de la partícula

Pero, como advirtió Heisenberg, la luz también puede concebirse como una corriente de partículas (cuantos de luz denominados fotones) y el momento de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda. Así, cuanto más pequeña sea la longitud de onda de la luz, mayor será el momento de sus fotones. Si un fotón de pequeña longitud de onda y momento elevado golpea la partícula emplazada en el microscopio, transmite parte de su momento a dicha partícula; esto la hace moverse, creando una incertidumbre en nuestro conocimiento de su momento. Cuanto más pequeña sea la longitud de onda de la luz, mejor conoceremos la posición de la partícula, pero menos certidumbre tendremos de su momento final. Por otra parte, si sacrificamos nuestro conocimiento de la posición de la partícula y utilizamos luz de mayor longitud de onda, podemos determinar con mayor certidumbre su momento. Pero si la mecánica cuántica es correcta, no podemos determinar al mismo tiempo con precisión absoluta la posición de la partícula y su momento

El modelo del principio de incertidumbre de Heisenberg utiliza una característica del mundo cuántico que es absolutamente general: para «ver» el mundo cuántico atómico, hemos de dispersar otras partículas cuánticas de los objetos que queremos observar. Lógicamente, para explorar el microcosmos de las partículas cuánticas necesitamos pequeñas sondas, y las más pequeñas son las propias partículas cuánticas. Los físicos exploran el micromundo observando choques de partículas cuánticas. Cuanto más elevados son el momento y la energía de las partículas que colisionan, menor es la longitud de onda y menores son las distancias que pueden resolver. Por esta razón, los físicos que pretenden estudiar distancias cada vez más pequeñas, necesitan máquinas que aceleren las partículas cuánticas con energías cada vez más elevadas y luego las hagan chocar con otras partículas que constituyen el objetivo

Dotados el círculo mundial de los físicos experimentales con poderosas máquinas aceleradoras de partículas empotradas, principalmente, en China, Japón, Estados Unidos de Norteamérica, países de la Comunidad Europea, Rusia, etc., ha permitido abrir una ventana al mundo del interior del núcleo atómico, la pequeña masa central del átomo, sólo una diezmilésima de su tamaño total. El núcleo lo componen primordialmente dos tipos de partículas, el protón, que posee una unidad de carga eléctrica, y el neutrón, similar al protón en varios aspectos, pero sin carga eléctrica. Protones y neutrones tienen interacciones muy fuertes que los unen estrechamente formando el núcleo. Los físicos estudian en particular esta fuerza, porque existe el convencimiento de que en ella reside la clave de la estructura básica de la materia: un complejo mundo de partículas

El poder de esas máquinas abrieron una ventana al mundo del interior del núcleo atómico, la pequeña masa central del átomo, sólo una diezmilésima de su tamaño total. El núcleo lo componen primordialmente dos tipos de partículas, el protón, que posee una unidad de carga eléctrica, y el neutrón, similar al protón en varios aspectos, pero sin carga eléctrica. Protones y neutrones tienen interacciones muy fuertes que los unen estrechamente formando el núcleo. Los físicos deseaban estudiar esta fuerza, porque creían que en ella residía la clave de la estructura básica de la materia. Pero nadie podía haber previsto el rico y complejo mundo de partículas que engendraba esta vigorosa fuerza nuclear, ni lo mucho que tardaría en descubrirse una teoría verdaderamente fundamental que explicase aquella fuerza. Quedaban por delante décadas de frustración. Pero fue en la fragua de la frustración y la ignorancia donde forjaron los físicos su confianza en la teoría correcta cuando ésta llegó al fin

Los frutos ya se empezaron a ver a finales de la década de 1940, cuando se iniciaron estas investigaciones, los físicos descubrieron unas cuantas partículas más que interactuaban vigorosamente junto a protones y neutrones; las denominaron mesones pi. Luego, en la década de 1950, cuando construyeron aceleradores de energía aún mayor, fueron encontrando más y más partículas que interactuaban vigorosamente, entre ellas hiperones, mesones K, mesones Rho, partículas extrañas, todo un zoológico de partículas de número probablemente infinito. Todas estas partículas, que interactuaban potentemente, recibieron el nombre colectivo de hadrones, que significa fuertes, pesadas y densas. La mayoría son bastante inestables y se descomponen rápidamente en hadrones más estables. ¿Qué podría estar diciendo la naturaleza? Esta proliferación de diferentes géneros de partículas subatómicas parecía una broma. Según cierto postulado tácito de la física, a medida que uno se acerca al nivel más bajo, la naturaleza se hace más simple y no más complicada

Hoy día ha quedado ratificada esa fe en la sencillez de la naturaleza. En la actualidad, se ha llegado a tener un alto nivel de certidumbre que la materia del universo está constituida por dos grandes familias de partículas: los hadrones y los leptones

Los hadrones participan en las cuatro interacciones fundamentales posibles entre partículas y son los únicos que presentan las llamadas interacciones fuertes. Los hadrones son partículas compuestas, fabricadas en base a seis entidades básicas (posteriormente hablaremos de ellas), que se conocen como quarks. Este modelo quark de la estructura hadrónica, que propusieron en 1963 Murray Gell-Mann (e independientemente George Zweig) quedó plenamente confirmado por una serie de experimentos que se efectuaron en el acelerador lineal de Stanford en 1968. Estos experimentos permitieron localizar quarks puntiformes emplazados en el protón y el neutrón «como pasas en un budín»

Los físicos consideran hoy los hadrones manifestaciones de la dinámica de unos cuantos quarks que orbitan unos alrededor de otros, agrupados en una pequeña región del espacio, una simplificación inmensa si la comparamos con el zoológico infinito de partículas. En varios sentidos, esta simplificación era similar a la que lograron los químicos del siglo XIX, cuando llegaron a la conclusión de que podían formarse miles de compuestos moleculares a partir de unas ocho docenas de elementos atómicos

A finales de la década de 1970, tras importantes descubrimientos experimentales y teóricos, se completó una nueva imagen del micromundo subatómico. Las unidades básicas de la materia, como ya lo hemos mencionado, se agruparon en dos grandes familias, a las cuales hay que agregarle una antifamilia. Las interacciones de las partículas y antipartículas que conforman estas familias podían explicar, en principio, todas las cosas materiales del universo. Lo que implicaba un paso sustancial dentro del concierto de la empresa que conforman los científicos para comprender la naturaleza. Ello, ha representado una poderosa herramienta conceptual necesaria para entender mejor los enigmas del universo

Al modelo matemático que describe esas partículas y sus interacciones se le denomina el «modelo estándar». Lo describiré con detalle en la última sección de este sexto capítulo de «A Horcajadas En El Tiempo». Pero antes es importante que encontremos un medio de imaginar el micromundo de partículas cuánticas. ¿De qué clase de «material» están compuestas esas partículas? ¿Cómo podemos concebir el mundo cuántico y sus distancias subnucleares? Para abordar estas cuestiones, los físicos han inventado un lenguaje sumamente matemático, denominado «teoría relativista del campo cuántico». Esta teoría proporciona la estructura conceptual precisa para concebir las interacciones de partículas cuánticas, lo mismo que la física newtoniana proporciona la estructura conceptual precisa para pensar en el movimiento de los planetas

Biografía de 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.

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...

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.

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.

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