Werner Heisenberg

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Werner Karl Heisenberg (5 de diciembre de 1901 – 1 de febrero de 1976) fue un físico teórico alemán y uno de los principales pioneros de la teoría de la mecánica cuántica. Publicó su trabajo en 1925 en un artículo innovador. En la serie posterior de artículos con Max Born y Pascual Jordan, durante el mismo año, su formulación matricial de la mecánica cuántica se elaboró sustancialmente. Es conocido por el principio de incertidumbre, que publicó en 1927. Heisenberg recibió el Premio Nobel de Física de 1932 «por la creación de la mecánica cuántica».

Werner Heisenberg
Werner Heisenberg

Familia y educación

El padre de Heisenberg, August Heisenberg, estudioso de la filología griega antigua y la literatura griega moderna, era profesor de un gymnasium (escuela secundaria clásica-humanista) y conferenciante en la Universidad de Würzburg. La madre de Werner, de soltera Anna Wecklein, era hija del rector del elitista Maximilians-Gymnasium de Múnich. En 1910, August Heisenberg se convirtió en profesor de filología griega en la Universidad de Múnich.


Werner ingresó en el Maximilians-Gymnasium al año siguiente y pronto impresionó a sus profesores por su precocidad en matemáticas. Heisenberg ingresó en la Universidad de Múnich en 1920 y se convirtió en alumno de Arnold Sommerfeld, experto en espectroscopia atómica y exponente del modelo cuántico de la física. (La idea de que ciertas propiedades de la física atómica no son continuas y sólo adoptan ciertos valores discretos, o cuantificados, a pequeñas escalas había sido desarrollada por el físico danés Niels Bohr en 1913). Heisenberg terminó su trabajo formal de doctorado en 1923 con una disertación sobre hidrodinámica.

A pesar de una mediocre defensa de la tesis, el verdadero talento de Heisenberg surgió en su trabajo sobre el efecto Zeeman anómalo, en el que las líneas espectrales atómicas se dividen en múltiples componentes bajo la influencia de un campo magnético. Heisenberg desarrolló un modelo que daba cuenta de este fenómeno, aunque a costa de introducir números cuánticos semienteros, una noción en desacuerdo con la teoría de Bohr tal y como se entendía hasta entonces.

En 1922, Heisenberg se convirtió en ayudante y alumno de Max Born en la Universidad de Göttingen, donde también conoció a Bohr. En 1924, Heisenberg obtuvo su habilitación, que le permitía enseñar en la universidad alemana.

Fundación de la mecánica cuántica

En 1925, tras una larga visita al Instituto de Física Teórica de Bohr en la Universidad de Copenhague, Heisenberg abordó el problema de las intensidades del espectro del electrón tomado como un oscilador anarmónico (un sistema vibratorio unidimensional).

Su postura de que la teoría debe basarse únicamente en las magnitudes observables fue fundamental en su artículo de julio de 1925, «Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen» («Reinterpretación teórico-cuántica de las relaciones cinemáticas y mecánicas»). El formalismo de Heisenberg se basaba en la multiplicación no conmutativa; Born, junto con su nuevo ayudante Pascual Jordán, se dio cuenta de que esto podía expresarse utilizando el álgebra matricial, que utilizaron en un artículo presentado para su publicación en septiembre como «Zur Quantenmechanik» («Sobre la mecánica cuántica»). En noviembre, Born, Heisenberg y Jordan habían completado «Zur Quantenmechanik II» («Sobre la mecánica cuántica II»), conocido coloquialmente como el «documento de los tres», que se considera el documento fundacional de una nueva mecánica cuántica.

Principio de incertidumbre

En la década de 1920 se idearon otras formulaciones de la mecánica cuántica: la notación de corchetes (que utiliza vectores en un espacio de Hilbert) fue desarrollada por P.A.M. Dirac en Inglaterra y la ecuación de onda fue elaborada por Erwin Schrödinger en Suiza (donde el físico austriaco trabajaba entonces).

Schrödinger no tardó en demostrar que las distintas formulaciones eran matemáticamente equivalentes, aunque el significado físico de esta equivalencia seguía sin estar claro. Heisenberg regresó de nuevo al instituto de Bohr en Copenhague, y sus conversaciones sobre este tema culminaron en el histórico artículo de Heisenberg de marzo de 1927, «Über den anschulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik» («Sobre el contenido perceptivo de la cinemática y la mecánica teóricas cuánticas»).

En este artículo se articulaba el principio de incertidumbre o indeterminación. La mecánica cuántica demostró, según Heisenberg, que el momento (p) y la posición (x) de una partícula no podían medirse exactamente de forma simultánea. En su lugar, existe una relación entre las indeterminaciones (Δ) en la medición de estas variables, de forma que ΔpΔx ≥ h/4π (donde h es la constante de Planck, o 6,62606957 × 10-34 julios∙segundo). Como existe un límite inferior (h/4π) en el producto de las incertidumbres, si la incertidumbre en una variable disminuye hacia 0, la incertidumbre en la otra debe aumentar recíprocamente. Una relación análoga existe entre cualquier par de variables canónicamente conjugadas, como la energía y el tiempo.

Heisenberg llegó a una conclusión filosóficamente profunda: el determinismo causal absoluto era imposible, ya que requería un conocimiento exacto tanto de la posición como del momento como condiciones iniciales. Por tanto, el uso de formulaciones probabilísticas en la teoría atómica no era resultado de la ignorancia, sino de la relación necesariamente indeterminista entre las variables.

Este punto de vista fue central en la llamada «interpretación de Copenhague» de la teoría cuántica, que recibió su nombre de la fuerte defensa de la idea en el instituto de Bohr en Copenhague. Aunque este punto de vista se convirtió en el predominante, varios físicos destacados, como Schrödinger y Albert Einstein, consideraron que la renuncia a la causalidad determinista era físicamente incompleta.

Premio Nobel

En 1927, Heisenberg asumió una cátedra en Leipzig. A cambio de Dirac, Jordan, Wolfgang Pauli y otros, se embarcó en un programa de investigación para crear una teoría cuántica de campos, uniendo la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad para comprender la interacción de las partículas y los campos (de fuerza).

Werner Heisenberg (centro) con Wolfgang Pauli (izquierda) y Enrico Fermi en el lago de Como, en septiembre de 1927.
Werner Heisenberg (centro) con Wolfgang Pauli (izquierda) y Enrico Fermi en el lago de Como, en septiembre de 1927.

Werner Heisenberg (centro) con Wolfgang Pauli (izquierda) y Enrico Fermi en el lago de Como, en septiembre de 1927.

Heisenberg también trabajó en la teoría del núcleo atómico tras el descubrimiento del neutrón en 1932, desarrollando un modelo de interacción entre el protón y el neutrón en una descripción temprana de lo que décadas más tarde se conocería como la fuerza fuerte. El Premio Nobel de Física de 1932 no se anunció hasta noviembre de 1933, cuando también se anunciaron los ganadores de 1933. Heisenberg recibió el premio de física de 1932, mientras que Schrödinger y Dirac compartieron el premio de física de 1933.

Heisenberg y la política

El mismo año en que Heisenberg fue galardonado con el Premio Nobel, 1933, también fue testigo de la llegada al poder del Partido Nacional Socialista Alemán de los Trabajadores. Las políticas nazis que excluían a los «no arios» o a los políticamente «poco fiables» de la función pública supusieron el despido o la dimisión de muchos profesores y académicos, entre los que se encontraban, por ejemplo, Born, Einstein y Schrödinger y varios de los estudiantes y colegas de Heisenberg en Leipzig. La respuesta de Heisenberg consistió sobre todo en intervenciones silenciosas dentro de la burocracia más que en protestas públicas abiertas, guiado por la esperanza de que el régimen nazi o sus manifestaciones más extremas no duraran mucho tiempo.

Heisenberg también se convirtió en el blanco de ataques ideológicos. Una camarilla de físicos afines al partido promovió la idea de una física «alemana» o «aria», opuesta a una supuesta influencia «judía» manifestada en enfoques matemáticos abstractos -sobre todo, la relatividad y las teorías cuánticas-. Johannes Stark, uno de los líderes de este movimiento, utilizó sus conexiones con el Partido para influir en la financiación de la ciencia y en las decisiones de personal.

Sommerfeld consideraba desde hacía tiempo a Heisenberg como su eventual sucesor, y en 1937 éste recibió una llamada para incorporarse a la Universidad de Múnich. A continuación, la revista oficial de las SS publicó un artículo firmado por Stark en el que se calificaba a Heisenberg de «judío blanco» y de «Ossietzky de la física». (El periodista y pacifista alemán Carl von Ossietzky, ganador del Premio Nobel de la Paz en 1935, había sido encarcelado en 1931 por traición por su información sobre los esfuerzos secretos de rearme de Alemania, se le concedió la amnistía en 1932, y luego volvió a ser detenido e internado en un campo de concentración en 1933).

Heisenberg, basándose en el conocimiento de la familia de su madre con la familia de Heinrich Himmler, envió una solicitud al jefe de las SS para que interviniera en su favor en la adquisición de la cátedra en Múnich. Himmler, tras una investigación, decretó un compromiso: Heisenberg no sucedería a Sommerfeld en Múnich, pero se le ahorrarían más ataques personales y (esencialmente) se le prometería otro puesto destacado en el futuro.

Mientras tanto, Stark y los físicos arios estaban perdiendo, por otros motivos, influencia en la jungla burocrática del Estado nazi, especialmente en el contexto de la militarización. En medio de esta turbulencia política, Heisenberg aparentemente nunca contempló seriamente la posibilidad de abandonar Alemania, aunque ciertamente recibió varias ofertas de nombramientos universitarios en Estados Unidos y otros lugares. Al parecer, se guiaba por un fuerte sentido del deber personal hacia la profesión y una lealtad nacional que (en su mente) trascendía la política particular del régimen.

En 1937, Heisenberg se casó con Elisabeth Schumacher, hija de un profesor de economía, a la que había conocido en un concierto. Al año siguiente nacieron dos gemelos, los primeros de los siete hijos que tendría la pareja.

A finales de la década de 1930, Heisenberg se centró en los rayos cósmicos de alta energía, para los que propuso una teoría de «lluvias de explosión», en la que se producían múltiples partículas en un solo proceso, en contraste con la teoría de «cascada» favorecida principalmente por los físicos británicos y estadounidenses. Heisenberg también vio en los fenómenos de los rayos cósmicos una posible prueba de su idea de una longitud mínima que marca un límite inferior del dominio de la mecánica cuántica.

Segunda Guerra Mundial

El descubrimiento de la fisión nuclear situó al núcleo atómico en el centro de atención. Tras la invasión alemana de Polonia en 1939, Heisenberg fue reclutado para trabajar en la Oficina de Armamento del Ejército en el problema de la energía nuclear. Al principio se desplazaba entre Leipzig y el Instituto de Física Kaiser Wilhelm (KWI) de Berlín y, después de 1942, como director de este último, Heisenberg asumió un papel destacado en la investigación nuclear alemana. Dado el contexto político de su momento, este papel ha sido enormemente controvertido.

El grupo de investigación de Heisenberg no consiguió, por supuesto, producir un reactor o una bomba atómica. Como explicación, algunos relatos han presentado a Heisenberg como un simple incompetente; otros, por el contrario, han sugerido que retrasó o saboteó deliberadamente el esfuerzo.

En retrospectiva, está claro que hubo errores críticos en varios puntos de la investigación. Asimismo, es evidente que el proyecto alemán de armamento nuclear en su conjunto no contaba con el mismo grado de entusiasmo que impregnó el Proyecto Manhattan en Estados Unidos. Sin embargo, factores ajenos al control directo de Heisenberg tuvieron un papel más importante en el resultado.

En contraste con el esfuerzo unificado angloamericano, el proyecto alemán estaba burocráticamente fracturado y aislado de la colaboración internacional. Los materiales clave escaseaban en Alemania, por no hablar de los trastornos generalizados causados por los bombardeos aliados de la red de transporte del país.

Además, la perspectiva estratégica general afectó de forma crítica a la priorización o despriorización de la investigación sobre la bomba nuclear. Tras una conferencia de 1942 con científicos del Eje, el ministro alemán de armamento y producción de guerra, Albert Speer, llegó a la conclusión de que la investigación sobre reactores 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 Estados Unidos también se produjo en 1942 y, aun con su enorme 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 realizaban necesariamente con la aprobación de las autoridades alemanas y, por tanto, los colegas de los países ocupados los percibían como una indicación del respaldo de los líderes nazis a Heisenberg y viceversa.

Lo más notorio en este sentido fue un viaje a Copenhague en septiembre de 1941, durante el cual Heisenberg planteó el tema de la investigación sobre armas nucleares en una conversación con Bohr, ofendiendo y alarmando a este último, aunque Heisenberg afirmó posteriormente que la reacción de Bohr se debió a un malentendido. El contenido exacto de la conversación nunca se ha aclarado.

En enero de 1945 el KWI de Física fue evacuado a las ciudades de Hechingen y Haigerloch en la provincia de Hohenzollern (entonces un enclave prusiano, ahora parte del estado de Baden-Württemberg). En los últimos días de la guerra, Heisenberg fue en bicicleta desde allí hasta la casa de vacaciones de su familia en Baviera. Allí fue capturado por un equipo de inteligencia militar estadounidense, y finalmente fue internado con otros físicos alemanes en Inglaterra.

Sus conversaciones tras la noticia del bombardeo atómico de Hiroshima, Japón, sugirieron inicialmente que Heisenberg no tenía un sentido claro de algunos principios básicos del diseño de bombas -por ejemplo, la masa crítica aproximada-, pero en pocos días había resuelto muchos de estos problemas.

Años de posguerra

Heisenberg fue liberado por las autoridades británicas en enero de 1946, y poco después reanudó su dirección del reconstituido Kaiser Wilhelm, que pronto pasó a llamarse Instituto de Física Max Planck, ahora en Göttingen.

En los años de posguerra, Heisenberg asumió diversas funciones como administrador y portavoz de la ciencia alemana dentro de Alemania Occidental, un cambio hacia un papel más abiertamente político que contrastaba con su postura más apolítica antes de 1945.

En 1949, Heisenberg se convirtió en el primer presidente del Consejo Alemán de Investigación, un consorcio formado por la Sociedad Max Planck y las distintas academias científicas de Alemania Occidental que pretendía promover la ciencia alemana en el ámbito internacional e influir en la financiación científica federal a través del recién elegido canciller Konrad Adenauer. Sin embargo, esta nueva organización entró en conflicto con la antigua Asociación de Emergencia para la Ciencia Alemana, ya restablecida, cuyo enfoque preservaba la tradicional primacía de los distintos estados alemanes en materia cultural y educativa.

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 contribuyó a 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 iteración de la Fundación Humboldt, una organización financiada por el gobierno que ofrecía becas a académicos extranjeros para que realizaran investigaciones en Alemania.

A pesar de estos estrechos vínculos con el gobierno federal, Heisenberg también se convirtió en un crítico abierto de las políticas de Adenauer como uno de los «18 de Göttingen» en 1957; tras el anuncio del gobierno de que estaba considerando equipar al ejército con armas nucleares (de fabricación estadounidense), este grupo de científicos nucleares publicó un manifiesto de protesta contra el plan.

En la posguerra, Heisenberg siguió buscando una teoría de campo cuántica completa, utilizando el enfoque de la «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 del campo unificado -los periódicos se referían a su «fórmula del mundo»- que consideraba un enfoque basado en la simetría para la proliferación de partículas que se estaba produciendo entonces. Sin embargo, el apoyo de la comunidad física fue limitado, sobre todo con la aparición del modelo de los quarks en la década de 1960. En 1958 Heisenberg también logró por fin el objetivo de un puesto académico en Múnich, ya que ese año se trasladó allí el Instituto Max Planck de Física. Heisenberg se retiró de la dirección del instituto en 1970.

Fallecimiento

Heisenberg murió de cáncer de riñón en su casa, el 1 de febrero de 1976. La noche siguiente, sus colegas y amigos caminaron en recuerdo desde el Instituto de Física hasta su casa, encendieron una vela y la colocaron frente a su puerta. Heisenberg está enterrado en el Waldfriedhof de Múnich.

En 1980 su viuda, Elisabeth Heisenberg, publicó La vida política de un apolítico ( Das politische Leben eines Unpolitischen). En él caracterizaba a Heisenberg como «en primer lugar, una persona espontánea, después un científico brillante, a continuación, un artista de gran talento, y sólo en cuarto lugar, por sentido del deber, homo politicus».

El apellido de Heisenberg se utiliza como alias principal de Walter White, el personaje principal de la serie dramática criminal de AMC Breaking Bad a lo largo de la transformación de White de profesor de química de instituto a cocinero de metanfetamina y capo de la droga. En la serie precuela Better Call Saul, un personaje llamado Werner dirige la construcción del laboratorio de metanfetamina del antagonista Gus Fring en el que Walt cocina durante gran parte de Breaking Bad.

Werner Heisenberg fue objeto de un asesinato por parte del espía Moe Berg en la película El cazador era un espía, basada en hechos reales.

A Heisenberg se le atribuye la construcción de la bomba atómica utilizada por el Eje en la adaptación de la serie de televisión Amazon Prime de la novela The Man in the High Castle de Philip K. Dick. Las bombas atómicas en este universo se denominan Dispositivos Heisenberg.

Daniel Craig interpretó a Heisenberg en la película de 2002 Copenhague, una adaptación de la obra teatral de Michael Frayn con ese nombre.

Heisenberg es el homónimo del antagonista secundario de Resident Evil Village, Karl Heisenberg. Las investigaciones de Heisenberg sobre el ferromagnetismo sirvieron de inspiración para las habilidades magnéticas del personaje.

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