Werner Heisenberg; la “incertidumbre” de un “gigante”.

El 5 de diciembre de 1901, nacía el físico alemán Werner Karl Heisenberg (Wurzburgo, Alemania, 5 de diciembre de 1901 – Múnich, 1 de febrero de 1976), un nombre clave en la física moderna y en el desarrollo de la mecánica cuántica.

Heisenberg es conocido principalmente por la formulación del “principio de incertidumbre”, una contribución fundamental al desarrollo de la teoría cuántica.

Este principio afirma, a grandes rasgos, que es imposible medir simultáneamente de forma precisa la posición y el momento lineal de una partícula.

El principio de incertidumbre ejerció una profunda influencia en la física, pero curiosamente también en la filosofía del siglo XX.

Heisenberg fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1932 por “La creación de la mecánica cuántica, cuyo uso ha conducido, entre otras cosas, al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno”.

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Werner Karl Heisenberg (Wurzburgo, Alemania, 5 de diciembre de 1901 – Múnich, 1 de febrero de 1976) comenzó sus estudios en la Escuela Maximilian de Münich. En 1920 ingresaría en la Universidad de la misma ciudad para estudiar Física. Durante su primer año su interés se centraba en las matemáticas, pero poco a poco empieza a interesarse por la física teórica. Intenta trabajar en la Teoría de la Relatividad de Einstein y Pauli le aconseja que se dedique a la Teoría Atómica en la que todavía había gran discrepancia entre teoría y experimento. Heisenberg, obtendría su su doctorado en 1923 presentando un trabajo sobre turbulencia de los fluidos.

Durante el año 1922-1923, se trasladaría a la Universidad de Göttingen donde entraría en contacto con el matemático David Hilbert y se haría asistente de una de las personas más influyentes en su carrera, el físico alemán Max Born.

Entre los años 1924 y 1925, se trasladaría a la Universidad de Copenhague, en Dinamarca, becado por la Fundación Rockefeller. Allí conocería a otra persona fundamental en su carrera el físico danés Niels Bohr.

En 1925 volvería a la Universidad de Göttingen. En 1927 sería nombrado Profesor de Física Teórica en la Universidad de Lepizig.

En 1925 comenzó a desarrollar la mecánica matricial una formulación de la mecánica cuántica creada por Heisenberg, Max Born y Pascual Jordan. La mecánica matricial fue la primera implementación matemática completa de la mecánica cuántica. Extiende el modelo de Bohr al describir como ocurren los saltos cuánticos. Lo realiza interpretando las propiedades físicas de las partículas como matrices que evolucionan en el tiempo. Es equivalente a la formulación ondulatoria planteada por Erwin Schrödinger y es la base de la notación bra-ket de Paul Dirac para la formulación ondulatoria. En la práctica, cae pronto en el desuso al aparecer la formulación de Erwin Schrödinger.

Esta formulación se basa en que los aspectos teóricos de los sistemas están fundados exclusivamente en las relaciones entre cantidades pertenecientes al sistema que, en principio, es observable. En mecánica cuántica, los observables son las cantidades que directa o indirectamente pueden ser experimentalmente medidas. Esta premisa lo condujo a una formulación exitosa de la mecánica cuántica basado en la teoría de matrices.

Heisenberg trabajó con datos experimentales relacionados a la transición atómica de las interacciones de los átomos con cuantos de luz, fotones, tratando de identificar los observables relevantes. De esta manera él argumentó que las cantidades relacionadas a las transiciones eran los objetos básicos relevantes. En 1925 Heisenberg propuso la primera estructura matemática coherente acerca de la teoría atómica para los átomos (Heisenberg, Werner (1925). «Quantum-theoretical re-interpretation of kinematic and mechanical relations.». Z. Phys (33): 879-893.).

Heisenberg realizó sus aportes más importantes en la teoría de la estructura atómica.

Su nueva teoría se basaba únicamente en lo que es observable, es decir, en la radiación emitida por el átomo. No podemos, asignar a un electrón una posición en el espacio en un momento dado, ni seguirlo en su órbita , por lo que no podemos asumir que existen realmente los sistemas orbitales por Niels Bohr. Las magnitudes mecánicas, tales como la posición, velocidad , etc. deben estar representadas, no por los números ordinarios , sino por estructuras matemáticas abstractas llamadas “matrices” y así Heisenberg formuló su nueva teoría en términos de ecuaciones matriciales. Sin embargo su formulación y resolución es extremadamente complejo en términos matemáticos.

En 1927, Heisenberg presentó su principio de indeterminación o de incertidumbre (Heisenberg, W. (1927), "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik ).

La relación de indeterminación de Heisenberg o principio de incertidumbre establece que la imposibilidad de que determinados pares de magnitudes físicas sean conocidas con precisión arbitraria. De forma aproximada afirma que no se puede determinar, en términos de la física cuántica, simultáneamente y con precisión arbitraria, ciertos pares de variables físicas, como son, la posición y el momento lineal (cantidad de movimiento) de un objeto dado. En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su cantidad de movimientos lineales y, por tanto, su masa y velocidad.

Heisenberg demostró que la incertidumbre en la posición de la partícula, multiplicada por la incertidumbre en su velocidad y por la masa de la partícula, nunca puede ser más pequeña que una cierta cantidad, conocida como constante de Planck. Es una ley fundamental de la naturaleza.

La explicación «divulgativa» del principio de incertidumbre afirma que las variables dinámicas como posición, momento angular, momento lineal, etc. se definen de manera operacional, esto es, en términos relativos al procedimiento experimental por medio del cual son medidas: la posición se definirá con respecto a un sistema de referencia determinado, definiendo el instrumento de medida empleado y el modo en que tal instrumento se usa.

Heisenberg señaló que para observar una partícula, hay que arrojar luz sobre ella. El cuanto de luz emitido, tendría como consecuencia la alteración de la partícula (independientemente del instrumento de observación) y con la energía recibida la partícula vería incrementada su energía cinética, por lo que tendería a desplazarse.

Esta descripción cualitativa del principio, es engañosa en tanto que omite el principal aspecto del principio de incertidumbre: el principio de incertidumbre establece el límite de aplicabilidad de la física clásica. La física clásica concibe sistemas físicos descritos por medio de variables perfectamente definidas en el tiempo (velocidad, posición,...) y que en principio pueden conocerse con la precisión que se desee. Aunque en la práctica resultara imposible determinar la posición de una partícula con una precisión infinitesimal, la física clásica concibe tal precisión como alcanzable: es posible y perfectamente concebible afirmar que tal o cual partícula, en el instante de tiempo exacto 2 s, estaba en la posición exacta 1,57 m.

En cambio, el principio de incertidumbre, al afirmar que existe un límite fundamental a la precisión de la medida, en realidad está indicando que si un sistema físico real se describe en términos de la física clásica, entonces se está haciendo una aproximación, y la relación de incertidumbre nos indica la calidad de esa aproximación.

Este principio supone un cambio básico en la naturaleza de la física, ya que se pasa de un conocimiento absolutamente preciso en teoría (aunque no en el conocimiento basado sólo en probabilidades). Aunque debido a la pequeñez de la constante de Planck, en el mundo macroscópico la indeterminación cuántica es casi siempre completamente despreciable, y los resultados de las teorías físicas deterministas, como la teoría de la relatividad, siguen teniendo validez en todos casos prácticos de interés.

Las partículas, en mecánica cuántica, no siguen trayectorias definidas. No es posible conocer exactamente el valor de todas las magnitudes físicas que describen el estado de movimiento de la partícula en ningún momento, sino sólo una distribución estadística. Por lo tanto no es posible asignar una trayectoria a una partícula. Sí se puede decir que hay una determinada probabilidad de que la partícula se encuentre en una determinada región del espacio en un momento determinado

La mecánica cuántica, al contrario que la mecánica clásica, no predice un único resultado de cada observación. En su lugar, predice un cierto número de resultados posibles y nos da las únicamente las probabilidades de que una partícula pueda encontrase en cada uno de ellos.

El gran acierto de la teoría cuántica es que logra explicar prácticamente todo el mundo microscópico.

El principio de incertidumbre desempeñó un importante papel tanto en el desarrollo de la mecánica cuántica como en el progreso del pensamiento filosófico moderno.

En 1941, Heisenberg sería nombrado Profesor de Física en la Universidad de Berlín y Director del Instituto de investigación Kaiser Guillermo. Estuvo a cargo de la investigación científica del proyecto de la bomba atómica alemana durante la II Guerra Mundial.

En septiembre de 1941 Heisenberg visitó a Niels Bohr en Copenhague. En un acto que solo puede ser clasificado como traición y que ponía seriamente su vida en peligro, Heisenberg habló con Bohr sobre el proyecto de bomba atómica alemán e incluso le hizo un dibujo de un reactor. Heisenberg sabía que Bohr tenía contactos fuera de la Europa ocupada y le propuso un esfuerzo conjunto para que los científicos de ambos bandos retrasaran la investigación nuclear hasta que la guerra acabara.

Al final de la guerra en Europa como parte de la Operación Epsilon, Heisenberg junto con otros nueve científicos, incluyendo a Otto Hahn, Carl Friedrich von Weizsäcker y Max von Laue, fue internado en una casa de campo llamada "Farm Hall" en la campiña inglesa.

Volvería a la Universidad de Göttingen en 1946 reorganizando el Instituto de Física de la Universidad (desde 1948 Instituto Max Planck de Física).

En 1955 se trasladaría a Münich, donde en 1958 sería nombrado Profesor de Física en la Universidad de esa ciudad. En esta época Heisenberg se concentró en la investigación sobre la teoría de las partículas elementales, la estructura del núcleo atómico, la hidrodinámica de las turbulencias, los rayos cósmicos y el ferromagnetismo.

En 1932, Heisenberg, recibiría 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”.

Entre sus numerosos escritos se encuentran “Los principios físicos de la teoría cuántica”, “Radiación cósmica, Física y filosofía” e “Introducción a la teoría unificada de las partículas elementales”.