Werner Karl Heisenberg

Werner Heisenberg , conocido también por su nombre completo Werner Karl Heisenberg , (nacido el 5 de diciembre de 1901, Würzburg , Alemania, y fallecido el 1 de febrero de 1976, Munich, Alemania Occidental), fue un físico y filósofo alemán que descubrió (1925) el modo de formular la mecánica cuántica en términos de matrices. Por ese descubrimiento, fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1932. En 1927 publicó su principio de incertidumbre, sobre el cual construyó su filosofía y por la cual es más conocido.

Las contribuciones de Werner HeisenbergTambién hizo contribuciones importantes a las teorías de la hidrodinámica de los flujos turbulentos , el núcleo atómico, el ferromagnetismo, los rayos cósmicos y las partículas subatómicas , y fue principal en la planificación del primer reactor nuclear de Alemania Occidental en Karlsruhe , junto con un reactor de investigación en Munich, en 1957. A pesar de sus logros y reconocimientos, cierta controversia rodea su trabajo en la investigación atómica durante la Segunda Guerra Mundial .

Los orígenes de Werner HeisenbergEl padre de Heisenberg, August Heisenberg, un estudioso de la filología griega antigua y la literatura griega moderna, fue profesor en un gimnasio (escuela secundaria humanista clásica) y profesor en la Universidad de Würzburg . La madre de Werner, née Anna Wecklein, era la hija del rector de la élite Maximilians-Gymnasium en Munich. En 1910, August Heisenberg se convirtió en profesor de filología griega en la Universidad de Munich. Werner ingresó al Maximilians-Gymnasium al año siguiente y pronto impresionó a sus maestros con su precocidad en las matemáticas.

Heisenberg ingresó en la Universidad de Munich en 1920, convirtiéndose en un estudiante de Arnold Sommerfeld , experto en espectroscopía atómica y exponente del cuanto modelo de física . (La idea de que ciertas propiedades en la física atómica no son continuas y adquieren solo ciertos valores discretos o cuantificados a escalas pequeñas había sido desarrollada por el físico danés Niels Bohr en 1913.) Heisenberg terminó su trabajo formal para un doctorado en 1923 con una disertación sobre hidrodinámica .

A pesar de una defensa de tesis mediocre , los verdaderos talentos de Heisenberg surgieron en su trabajo sobre el efecto anómalo de Zeeman, en el que señaló como las líneas espectrales atómicas se dividen en múltiples componentes bajo la influencia de un campo magnético. Heisenberg desarrolló un modelo que explica este fenómeno, aunque a costa de introducir números cuánticos medio enteros , una noción en desacuerdo con la teoría de Bohr tal como se entiende hasta la fecha. Mientras todavía era estudiante oficial de Sommerfeld, en 1922 Heisenberg se convirtió en asistente y alumno de Max Born en la Universidad de Göttingen, donde Heisenberg también conoció a Bohr por primera vez. En 1924 Heisenberg completó su habilitación, la cualificación para enseñar a nivel universitario en Alemania.

Descubrimiento de la mecánica cuánticaEn 1925, después de una visita prolongada al Instituto de Física Teórica de Bohr en la Universidad de Copenhague, Heisenberg abordó el problema de las intensidades del espectro del electrón tomadas como un oscilador anarmónico (un sistema vibratorio unidimensional). Su posición de que la teoría debería basarse únicamente en cantidades observables fue central en su artículo de julio de 1925, “Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen” (“Reinterpretación cuántica-teórica de las relaciones cinemáticas y mecánicas”). El formalismo de Heisenberg se basaba en la multiplicación no conmutativa; Born, junto con su nuevo asistente Pascual Jordan, se dio cuenta de que esto se podía expresar utilizando una matrizálgebra, que utilizaron en un documento presentado para su publicación en septiembre como “Zur Quantenmechanik” (“Sobre Mecánica Cuántica “). Para noviembre, Born, Heisenberg y Jordan habían completado “Zur Quantenmechanik II” (“Sobre Mecánica Cuántica II”), coloquialmente conocido como el “papel de tres hombres”, que se considera el documento fundacional de una nueva mecánica cuántica.

Principio De IncertidumbreOtras formulaciones de la mecánica cuántica se diseñaron durante la década de 1920: la notación de corchetes (usando vectores en un espacio de Hilbert ) fue desarrollada por PAM Dirac en Inglaterra y la ecuación de onda fue elaborada por Erwin Schrödinger en Suiza (donde el físico austriaco estaba trabajando ) Schrödinger pronto demostró que las diferentes formulaciones eran matemáticamente equivalentes, aunque el significado físico de esta equivalencia seguía sin estar claro. Heisenberg volvió nuevamente al instituto de Bohr en Copenhague, y sus conversaciones sobre este tema culminaron en el histórico documento de Heisenberg de marzo de 1927, “Über den anschulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik” (“Sobre el contenido perceptual de la cinemática y la mecánica teóricas cuánticas”).

Este documento articuló el principio de incertidumbre o indeterminación . La mecánica cuántica demostró, de acuerdo con Heisenberg, que el momento ( p ) y la posición ( x ) de una partícula no podían medirse exactamente ambos simultáneamente. En cambio, existe una relación entre las indeterminaciones (Δ) en la medición de estas variables, de modo que Δ p Δ x ≥ h / 4π (donde h es la constante de Planck , o 6.62606957 × 10 -34 joule ∙ segundo ). Como existe un límite inferior ( h/ 4π) sobre el producto de las incertidumbres, si la incertidumbre en una variable disminuye hacia 0, la incertidumbre en la otra debe aumentar recíprocamente. Existe una relación análoga entre cualquier par de variables canónicamente conjugadas, como la energía y el tiempo.

Heisenberg sacó una conclusión filosóficamente profunda y absoluta sobre el determinismo causal y como este era imposible, ya que requería un conocimiento exacto de la posición y el momento como condiciones iniciales. Por lo tanto, el uso de formulaciones probabilísticas en la teoría atómica no resultó de la ignorancia, sino de la relación necesariamente indeterminista entre las variables. Este punto de vista fue central para la llamada “interpretación de Copenhague” de la teoría cuántica, que tomó su nombre de la fuerte defensa de la idea en el instituto de Bohr en Copenhague. Aunque esto se convirtió en un punto de vista predominante, varios físicos destacados, incluidos Schrödinger y Albert Einstein , vieron la renuncia a la causalidad determinista como físicamente incompleta.

Heisengberg y la Segunda Guerra MundialEl descubrimiento de la fisión nuclear llevó al núcleo atómico al centro de atención. Después de la invasión alemana de Polonia en 1939, Heisenberg fue reclutado para trabajar para la Oficina de Armas del Ejército en el problema de la energía nuclear.Al principio, viajando entre Leipzig y el Instituto Kaiser Wilhelm (KWI) para Física en Berlín y, después de 1942, como director en este último, Heisenberg asumió un papel principal en la investigación nuclear de Alemania. Dado el contexto nazi, este papel ha sido enormemente controvertido. El grupo de investigación de Heisenberg no tuvo éxito, por supuesto, al producir un reactor o una bomba atómica. En explicación, algunos relatos han presentado a Heisenberg como simplemente incompetente; otros, por el contrario, han sugerido que retrasó deliberadamente o saboteó el esfuerzo. En retrospectiva, está claro que hubo errores críticos en varios puntos de la investigación. Del mismo modo, es evidente que el proyecto de armas nucleares alemanas en su conjunto no poseía el mismo grado de entusiasmo que impregnaba el Proyecto Manhattan en los Estados Unidos. Sin embargo, los factores fuera del control directo de Heisenberg tuvieron un papel más sustantivo en el resultado.

En contraste con el esfuerzo angloamericano unificado, el proyecto alemán se fracturó burocráticamente y se aisló de la colaboración internacional. Los materiales clave eran escasos en Alemania, por no mencionar las dislocaciones generalizadas causadas por los bombardeos aliados de la red de transporte del país.Además, la perspectiva estratégica general afectó críticamente la priorización o la des-priorización de la investigación sobre bombas nucleares. Después de una conferencia de 1942 con científicos del Eje, el ministro alemán de armamento y producción de guerra Albert Speerllegó a la conclusión de que la investigación en el reactor debía continuar, pero que era poco probable que se desarrollara una bomba a tiempo para su uso en la guerra. A modo de confirmación, el inicio oficial del Proyecto Manhattan en los Estados Unidos también se produjo en 1942, e incluso con su gran esfuerzo, no pudo producir una bomba atómica antes de la rendición de Alemania.

La controversia también ha girado en torno a las conferencias de Heisenberg en países como Dinamarca y los Países Bajos durante los años de la guerra. Estos viajes fuera de Alemania se tomaron necesariamente con la aprobación de las autoridades alemanas y, por lo tanto, fueron percibidos por colegas en los países ocupados como indicadores del respaldo de los líderes nazis a Heisenberg y viceversa. Más notorio en este sentido fue un viaje a Copenhague en septiembre de 1941, durante el cual Heisenberg planteó el tema de la investigación de armas nucleares en una conversación con Bohr, ofende y alarmó a este último, aunque Heisenberg más tarde afirmó que la reacción de Bohr se basaba en un malentendido. El contenido exacto de la conversación nunca se ha aclarado.

En enero de 1945, el KWI for Physics fue evacuado a las ciudades de Hechingen y Haigerloch, en la provincia de Hohenzollern (en ese entonces un enclave prusiano, ahora parte del estado de Baden-Württemberg ). En los últimos días de la guerra, Heisenberg fue en bicicleta desde allí a la casa de vacaciones de su familia en Baviera . Allí fue capturado por un equipo de inteligencia militar estadounidense , y finalmente fue internado con varios otros físicos alemanes en Inglaterra. Sus conversaciones después de las noticias del bombardeo atómico de Hiroshima , Japón, inicialmente sugirieron que Heisenberg no tenía un sentido claro de algunos principios básicos del diseño de la bomba, por ejemplo, la masa crítica aproximada.Pero en pocos días resolvió muchos de estos problemas.

Años De PosguerraHeisenberg fue liberado por las autoridades británicas en enero de 1946, y poco después retomó su cargo de director del reconstituido Kaiser Wilhelm, que pronto pasó a llamarse el Instituto Max Planck de Física, ahora en Göttingen . En los años de la posguerra, Heisenberg asumió diversos roles como administrador y portavoz de la ciencia alemana dentro de Alemania Occidental , un cambio a un rol más abiertamente político que contrastaba con su postura más apolítica antes de 1945. En 1949, Heisenberg se convirtió el primer presidente del Consejo de Investigación Alemán, un consorcio de la Sociedad Max Planck y varias academias de ciencia de Alemania Occidental que buscaban promover la ciencia alemana en el ámbito internacional e influir en la financiación de la ciencia federal a través del recién elegido canciller Konrad Adenauer.

Sin embargo, esta nueva organización encontró un conflicto con la anterior, ahora restablecida asociación de Emergencia para la Ciencia Alemana, cuyo enfoque conservó la primacía tradicional de los diversos estados alemanes en asuntos culturales y educativos. En 1951, el Consejo de Investigación se fusionó con la Asociación de Emergencia para formar la Asociación Alemana de Investigación. A partir de 1952, Heisenberg jugó un papel decisivo en la participación de Alemania en la creación del Consejo Europeo de Investigación Nuclear (CERN ). En 1953 Heisenberg se convirtió en el presidente fundador de la tercera versión de laHumboldt Foundation, una organización financiada por el gobierno que proporcionó becas para académicos extranjeros para realizar investigaciones en Alemania. A pesar de estas estrechas conexiones con el gobierno federal, Heisenberg también se convirtió en un crítico abierto de las políticas de Adenauercomo una de las “Göttingen 18 “en 1957; tras el anuncio del gobierno de que estaba considerando equipar al ejército con armas nucleares (construidas en Estados Unidos), este grupo de científicos nucleares emitió un manifiesto en protesta por el plan.

En el período de la posguerra, Heisenberg continuó su búsqueda de una teoría de campo cuántica exhaustiva, utilizando el enfoque de “matriz de dispersión”(introducido por primera vez en 1942) y volviendo a la noción de una longitud universal mínima como característica clave. En 1958, propuso una teoría unificada del campo -historias periodísticas referidas a su “fórmula mundial” que él veía como un enfoque basado en la simetría para la proliferación de partículas en curso. Sin embargo, el apoyo de la comunidad física fue limitado, particularmente con la aparición del modelo de quark en la década de 1960. En 1958 Heisenberg también finalmente logró el objetivo de un puesto académico en Munich, ya que el Instituto Max Planck de Física se mudó allí ese año. Heisenberg se retiró de la dirección de su instituto en 1970.