La Fisica Cuántica

Biografia de Heisenberg Werner y Su Aporte en Fisica Cuantica

Biografia de Heisenberg Werner y Su Trabajo en Fisica Cuantica

HEISENBERG, Werner Karl. (Wurzburgo, 1901-Munich, 1976.) Físico alemán. Estudió en la Universidad de Munich como alumno de Amold Sommerfeld, doctorándose en 1923, y trabajó en la de Gotinga con Max Born.

En ambos lugares fue compañero de Wolfgang Pauli. Colaboró con Niels Bohr en Copenhague (1924-27) y fue profesor de la Universidad de Leipzig (1927), director del Instituto de Física Max Planck de Berlín (1942), del de Gotinga (1946) y del de Munich (1958).

En 1925-26 desarrolló una de las formulaciones básicas de la mecánica cuántica, que revolucionó la Física del siglo XX tanto como la teoría de la Relatividad de Einstein, aunque ambas se aplican en campos generalmente no coincidentes: la Relatividad comenzó en entornos macroscópicos y tiene que ver sobre todo con la interacción gravitatoria, mientras la Mecánica cuántica se dirige sobre todo al mundo microscópico, donde dominan las otras tres interacciones fundamentales: la electromagnética y las dos nucleares, fuerte y débil.

Biografia de Heisenberg Werner y Su Trabajo en Fisica Cuantica

Las formulaciones en cuestión son la Mecánica de matrices de Heisenberg, Max Born y Ernst Pascual Jordán, y la Mecánica ondulatoria de Schródinger.

La mecánica de matrices abandona el concepto de partículas que se mueven en trayectorias bien definidas, al estilo del átomo de Bohr, preludio de la Mecánica cuántica, y se apoya en la teoría de matrices infinitas de Hilbert.

Las dos formulaciones de la Mecánica cuántica resultaron ser equivalentes entre sí.

En 1927, Heisenberg formuló su famoso principio de incertidumhre o de la indeterminación, que afirma que es imposible conocer con precisión arbitraria dos de las magnitudes básicas de la Mecánica: la posición y el momento (o la velocidad, si la masa es constante).

De hecho, el producto de las incertidumbres de ambas magnitudes debe ser siempre mayor que ana constante que depende de h, la constante de Planck.

Existen diversas formas equivalentes del principio de incertidumbre. una de las cuales se refiere a otras dos magnitudes: la energía y el tiempo.

El principio causó una gran conmoción entre los físicos, que veían desaparecer la suposición clásica de la precisión absoluta, introduciendo el indeterminismo en las raíces de la estructura del universo y de la materia.

Además, este principio supone la imposibilidad de realizar medidas perfectas, pues el observador, por el mero hecho de medir una de las magnitudes de una partícula, cambia los valores de las demás.

Heisenberg utilizó la Mecánica cuántica para predecir el espectro dual del átomo de hidrógeno y explicar el del helio.

Después de la segunda guerra mundial, intentó, al igual que Einstein, desarrollar una teoría del campo unificado, basada en entidades matemáticas complejas, parecidas a los vectores, aunque su intento no fue coronado por el éxito.

En 1932 se le concedió el premio Nobel de Física, por la Mecánica cuántica de matrices.

También recibió la medalla Max Planck y la de la Universidad de Columbia.

Publicó muchos libros, algunos de tendencia eminentemente filosófica.

Entre ellos destacan: Die physikalischen Prinzipien der Quantentheorie (Principios físicos de la teoría de los cuantos, 1930), La Física nuclear y Relaciones sobre la radiación cósmica (1943), Das Naturbild der heutigen Physik (La imagen de la Naturaleza en la Física actual, 1955), Physics and philosophy (Física y Filosofía, 1958) y Diálogos sobre la física atómica (1972).

• ¿Quien Era Heisenberg Werner?

Werner Heisenberg era el más creativo y ambicioso de todos los físicos de su generación. Un hombre de talentos envidiables que no sólo manejaba con gran facilidad, desde su más tierna infancia, los instrumentos matemáticos, sino que además tocaba el piano con la destreza de un concertista y dominaba el extenso repertorio clásico de obras para este instrumento.

Que podía aprender aparentemente sin ningún esfuerzo lenguas extranjeras y, por ejemplo, en un breve lapso de tiempo estuvo en condiciones de dar conferencias en danés.

Que tenía buenas cualidades como esquiador en bajadas difíciles (lejos de las pistas habilitadas para turistas), pero que ante todo parecía sacar de la galera excelentes ideas físicas.

Produjo, a la edad de veinticuatro años, el corte decisivo que llevó a la física cuántica, y que ya a los veintiséis era profesor de física, que posteriormente se ocupó de nuevos descubrimientos revolucionarios dentro de su ciencia y que, finalmente, antes de cumplir sus cincuenta años se atrevió a hacer publica una fórmula sobre el origen del mundo.

• ►Lo Indeterminado

Aunque esta última tentativa finalmente cayó en el vacío y resultó infructuosa, el nombre de Heisenberg alcanzó la fama más allá de su especialidad, en particular, por su concepto del principio de indeterminación, que con el nombre (menos exacto) de principio de incertidumbre entró en la lengua de todos los días, si bien alude a un aspecto bastante intrincado de la realidad atómica.

El principio de Heisenberg se refiere al hecho de que no todas las propiedades de un objeto de dimensiones atómicas permiten medirse experimentalmente con exactitud.

No se puede, por ejemplo, averiguar el lugar y la velocidad de un electrón al mismo tiempo, como reconoció Heisenberg por primera vez, al reflexionar sobre la pregunta de un compañero, quien quería saber por qué no se podía observar un electrón en un microscopio.

Para poder localizar al electrón —así decía la respuesta de Heisenberg—, debería utilizarse un rayo con una longitud de onda muy pequeña.

Pero dado que, según Planck, su energía es muy alta, en el encuentro entre el rayo y el electrón, el objeto que se pretende estudiar sería expulsado tan violentamente de su órbita y alterada de tal forma su velocidad que sería imposible llevar a cabo con precisión la determinación de su ubicación.

Sin embargo, en este rápido bosquejo, queda expresado sólo muy superficialmente lo que en realidad reconoce el principio de indeterminación de Heisenberg.

Se trata menos de una incertidumbre que de una indeterminación.

Y en verdad no se trata simplemente de que dos propiedades de un electrón (u otros datos de la esfera atómica) no pueden medirse al mismo tiempo; en definitiva, en este caso se supone que las propiedades buscadas tienen un valor concreto independientemente de si alguien quiere medirlas o no.

En realidad, la cosa tal como la reconoció Heisenberg es mucho peor.

A decir verdad, un electrón no posee ninguna propiedad determinable, hasta que alguien dirige su atención hacia él y se ocupa de medirlo.

Los objetos de la realidad atómica son, sin la presencia de la atención del observador, indeterminados, y precisos en la manera en que lo indica (formulado matemáticamente) el principio de indeterminación.

Los electrones mantienen para sí todas las posibilidades abiertas, antes de adoptar —bajo las pautas de un sujeto en la forma del experimentador— cualidades concretas.

Heisenberg realizó sus aportes más importantes en la teoría de la estructura atómica. En 1925 comenzó a desarrollar un sistema de mecánica cuántica, denominado mecánica matricial, en el que la formulación matemática se basaba en las frecuencias y amplitudes de las radiaciones absorbidas y emitidas por el átomo y en los niveles de energía del sistema atómico.

• La belleza de la juventud

Heisenberg desde muy joven padecía de una alergia severa (fiebre del heno), y para poder curarse viajó hasta la isla de Helgoland (casi libre de polen), don de en las dos semanas de su estadía apenas durmió.

Un tercio de sn tiempo lo dedicó a aprender de memoria poemas del Diván oriental de Goethe, otro tercio lo pasó escalando los peñascos de la isla Rolen, y el último tercio del tiempo se ocupó de formular una mecánica de los átomos, que partía de la existencia del quantum de efecto, descubierto Max Planck.

Desde un punto de vista filosófico, Heisenberg había resuelto no utilizar en la descripción de los átomos sino las propiedades que eran accesibles a la observación experimental.

Es decir que en su teoría se podía hablar, po ejemplo, de la frecuencia de la luz que emiten los átomos, porque éste puede medirse, pero no podía tratar, en cambio, de las órbitas de lo electrones, ya que seguían siendo inaccesibles a la observación.

Desde el punto de vista físico, Heisenberg llevó toda su atención a la validez de la teoría de la energía, y su firme sujeción a este pilar casi sagrado de la física clásica le permitió, una noche, «desarrollar de forma coherente y consistente la matemática que tenía en mente» y con la que buscaba expresar las leyes atómicas.

Sobre el papel que tenía delante de sus ojos, de golpe, cobró forma lo que hoy en día se enseña en la universidad come mecánica cuántica y que ha demostrado ser tan exitoso y rico en consecuencias.

Expresado de una manera más sobria, esta experiencia le había permitido ver que las ecuaciones fundamentales sobre los átomos y sus elementos no podían formularse, si se procedía como en la física clásica que trata, por ejemplo, a las magnitudes como energía e impulso de forma numérica.

Heisenberg ve, por el contrario, que el mundo del microcosmos sólo puede concebirse, si se traducen los elementos físicos en cons-liucciones complejas y se le confieren dos dimensiones ordenadas en forma de columnas.

Los expertos designaban a estas construcciones con un concepto de múltiples aplicaciones, el concepto de matrices. Lo sorprendente es que, aunque los matemáticos conocían desde hace tiempo las matrices (en su especialidad) y las utilizaban en sus operaciones, el propio Heisenberg no las conoció hasta que les fueron reveladas por su imaginación.

Lo que Heisenberg logró en Helgoland corresponde al descubrimiento de una nueva forma, algo, que en el campo del arte es designado como un acto de creación.

• El camina hacia Copenhague

Después de este importante paso hacia un nuevo estilo de ciencia, Heisenberg regresó a Gottingen, para publicar las estructuras matemáticas así descubiertas, conjuntamente con su maestro Max Born y su asistente Pascual Jordán, que manejaban las matrices y dieron a la visión intuitiva de Heisenbeg la rigurosa formulación, que hoy encontramos en los manuales de física.

De esta manera surge el así llamado «trabajo de los tres hombres», que se convirtió en el modelo de muchas publicaciones científicas.

Uno de sus sus maestro, coocido como Sommerfeld reconoció de inmediato las dotes de Heisenberg, por lo que lo envió a Gottingen, en el momento en que Borh daba allí sus célebres clases, que pasaron a la historia de la física con el nombre de el «festival Bohr».

Heisenberg estaba entre los oyentes más jóvenes y en la sala gigantesca pero impresionantemente atestada de gente debía parecer bastante insignificante, entre todos los renombrados profesores.

No obstante, muy seguro de sí mismo, planteó una pregunta crítica.

Incluso se atrevió a contradecir a Bohr, y desconcertó un poco al eminente científico.

Biografia de Heisenberg Werner y Su Trabajo en Fisica Cuantica
Heisenberg y Bohr en Copenhague, alrededor de 1932

A partir de ese momento se genera una relacion muy especial de amistad,entre el premio Nobel danés de casi cuarenta años y el estudiante alemán de apenas veintidós, que se convirtió pronto en una colaboración científica extraordinariamente exitosa.

Mas tarde Bohr invita a Heisenberg a Copenhague, y ambos se ocupan de que el instituto Bohr, establecido en esa ciudad, esté en condiciones de poder concebir y comprender la nueva física en sus dimensiones filosóficas.

El mensaje esencial de Copenhague radica en una dualidad de las cosas que por ejemplo, ve la luz como ondas y como partículas; que establece justificadamente en la física el quantum discreto junto a un campo de fuerza continuo; que permite tanto el análisis cualitativo al estilo de Bohr como el pensamiento matemático (cuantitativo) al estilo de Heisenberg.

• La Fisión Nuclear, Fisionó La Amistad

El verdadero drama entre los científicos —y especialmente entre Bohr y Heisenberg— comenzó, cuando en el año 1938 se descubrió la fisión nuclear y los físicos tuvieron de inmediato la certeza de que podrían construirse reactores nucleares y bombas atómicas.

Aunque pronto resultó evidente que con el uranio existente en la naturaleza, no se podían construir bombas atómicas, no cabe duda que de en los primeros años de la guerra algunos físicos alemanes se ocuparon de investigar la cuestión de si y cómo podían fabricarse o enriquecerse variantes del uranio más explosivas (el isótopo con el número el número atómico 235).

La pregunta que aún obsesiona a muchos historiadores es qué papel desempeñó Heisenberg en todo esto y qué estrategia siguió, en general, en su cabeza en relación con la bomba atómica.

¿No la quiso construir o no pudo hacerlo?. ¿Intentó evitar que los alemanes la construyeran? ¿Con qué precisión e intensidad se ocupó de la física de la reacción en cadena necesaria para las explosiones atómicas?.

¿De qué otra manera podía reaccionar Bohr sino con una expresión de terror puro?. Bohr sabía qué ambicioso y genial era Heisenberg, y eso sólo podía querer decir —desde su perspectiva—, que ni las dificultades científicas ni de ningún otro tipo impedirían a su más famoso discípulo alemán recorrer todo el camino hasta dar con el explosivo, y ocuparse a la vez de llegar a la meta antes que el resto los físicos.

En todo caso, tras la conversión, que por temor a la Gestapo se había llevado a cabo mientras paseaban a los largo del puerto de Copenhague, Bohr parece haber vuelto a su casa pálido como un muerto y sumamente inquieto.

Lo concreto es que antes de que pasara mucho tiempo, Bohr huyó de su patria y en los Estados Unidos se puso en marcha el programa que tenía como única meta construir la bomba atómica, antes de que los nazis estuvieran en condiciones de hacerlo.

• Más allá del átomo

Tras la segunda guerra mundial la vida de Heisenberg transcurre por carriles más tranquilos.

Su anterior sueño de poder repetir el salto revolucionario que fue necesario para poder pasar de las dimensiones visibles al mundo de las estructuras atómicas, para pasar ahora del exterior de los átomos a su interior —o sea a las fuerzas que operan en el núcleo— no lo pudo dar.

Tampoco logra algo que pueda compararse con el éxito de su juventud, cuando lleva su atención en otra dirección y busca el elemento conectar entre una teoría del átomo y una teoría del cosmos.

(La era de los medios de comunicación se burla con descreimiento de su «fórmula para el cosmos».)

Heisenberg asume obligaciones políticas como presidente de la Comisión de Física Atómica creada por la comunidad científica alemana.

Fue Miembro de:

Royal Society
Academia Prusiana de las Ciencias
Academia Nacional de los Linces
Academia Pontificia de las Ciencias
Academia de Ciencias de Baviera
Academia de Ciencias de Gotinga
Real Academia de las Ciencias de Suecia
Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos
Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias
Academia Sajona de Ciencias (1930-1942)
Academia Alemana de las Ciencias Naturales Leopoldina (desde 1933)
Academia Sajona de Ciencias (desde 1942)
Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (desde 1961) 

Fallecimiento: 1º de febrero de 1976, en Múnich, Alemania

Temas Relacionados:

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• Biografia Balseiro Jose Antonio
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Enlace Externo:• Heisenberg, imprecisión y revolución cuántica

Fuentes Consultadas:
Aristoteles, Leonardo , Einstein y Cia. de Ernst Peter Fischer Editorial Mamon Troppo

Naturaleza Ondulatoria de la Materia- Resumen Descriptivo

Naturaleza Ondulatoria de la Materia

RESUMEN DESCRIPTIVO DE LA FÍSICA CUÁNTICA APLICADA A LA MATERIA:

Durante los últimos 300 años, los científicos han invertido mucho tiempo en discutir e investigar la naturaleza de la luz.

En el siglo XVII, Isaac Newton sostenía que los rayos luminosos consistían en flujos de partículas muy pequeñas.

Esta teoría corpuscular prevaleció durante muchos años, aunque Christian Huygens, contemporáneo de Newton, tenía el convencimiento de que la luz era trasmitida mediante vibraciones (es decir, ondas) en el éter.

Isaac Newton

HUYGENS Christian (1629-1695

En los primeros años del siglo XIX, Thomas Young realizó sus famosos experimentos sobre las interferencias luminosas. Estos fenómenos podían explicarse muy bien con sólo suponer que la luz es un conjunto de ondas y no un flujo de partículas.

Por consiguiente, la teoría ondulatoria parecía explicar satisfactoriamente todas las observaciones experimentales hechas hasta la época, por lo que se pensaba que remplazaría para siempre a la teoría corpuscular.

Después, a fines del siglo XIX, se descubrió que, en ciertas condiciones, se liberaban electrones cuando incidía un rayo luminoso sobre una superficie.

Al incidir un haz de luz sobre ciertos materiales se desprenden electrones, creando una corriente electrica, medida por el galvanómetro.

La teoría ondulatoria no podía explicar este fenómeno, que conocemos con el nombre de efecto fotoeléctrico.

Este nuevo descubrimiento planteó a los físicos un serio dilema.

El efecto fotoeléctrico era más fácilmente explicable acudiendo a la teoría corpuscular, aunque casi todos los otros fenómenos luminosos se explicaban mejor a partir de la teoría ondulatoria.

Éstos eran algunos de los problemas teóricos que tenían planteados los físicos cuando apareció en escena el joven aristócrata francés Luis de Broglie.

En una tesis publicada en 1922, cuando sólo tenía 30 años, sugirió que la luz presentaba un comportamiento a veces ondulatorio y a veces corpuscular, aunque no ambos al mismo tiempo.

Científico Luis De Broglie

LOUIS DE BROGLIE (1892-1960): Físico nacido en Francia el año 1892. Sus trabajos de investigación le permitieron descubrir la naturaleza ondulatoria de los electrones. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1929.

De Broglie supuso que, así como la luz, normalmente de naturaleza ondulatoria, podía, en ciertos fenómenos, comportarse corpuscularmente, las partículas pequeñas, tales como los electrones, podían presentar características ondulatorias.

Pero tuvo que esperar 5 años para que se descubriera la evidencia de este fenómeno.

Fue en 1927 cuando los estadounidenses Clinton G. Davisson y L. H. Germer, trabajando en los laboratorios de la Bell Telephone, consiguieron producir fenómenos de  difracción  con un flujo de electrones, usando un cristal como red de difracción.

La teoría dualista de De Broglie puede aplicarse a todas las partículas en movimiento, cualquiera que sea su naturaleza.

La longitud de onda de esta onda De Broglie (la onda asociada con la partícula) se averigua dividiendo la constante de Planck por la cantidad de movimiento de la partícula.

Luis Víctor de Broglie nació en Dieppe (Francia), en 1892.

Su hermano mayor, Maurice, el sexto duque De Broglie, fue también un físico de cierta importancia.

Luis se interesó, primero, por la historia y la literatura, pero después, sirviendo en el ejército francés durante la primera guerra mundial, se dedicó a la física.

En reconocimiento a su contribución al avance de la física teórica, Luis de Broglie fue galardonado, en 1929, con el premio Nobel.

Desde 1928 fue profesor de física teórica en la Universidad de París, donde había cursado sus estudios.

PARA SABER MAS…

La teoría cuántica puso una bomba bajo la visión de física clásica y, al final, la derrocó.

Uno de los pasos críticos de esta rebelión se dio cuando Erwin Schrodinger formuló su teoría de la mecánica de ondas, en la que sugería que un electrón, en un átomo, se comporta como una onda.

Se guiaba por la belleza, por su principio básico de que si una solución no era matemáticamente hermosa, casi seguro era incorrecta.

El trabajo de Schrodinger recibió un estímulo vital cuando leyó la tesis doctoral en Filosofía de Louis de Broglie, y fue oficialmente reconocido cuando, en 1933, Schrodinger compartió el Premio Nobel de Física con Paul Dirac.

El saludo de la onda de electrones

En 1900, Max Planck había sugerido por primera vez que la energía venía en conglomerados.

Esto llevó a pensar que la luz — que es una forma de energía— también estaba compuesta de partículas.

Al principio no parecía probable, pero Einstein había desarrollado el concepto hasta el punto de tener una credibilidad considerable, y las partículas de la luz se conocieron como fotones.

A pesar de que la luz era claramente una partícula, :ambién tenía propiedades de onda.

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El trabajo de Planck había demostrado que distintas luces se transformaban en diferentes colores porque los fotones tenían distintas cantidades de energía.

Sin embargo, si se divide la energía por la frecuencia a la que ese color oscila, siempre resulta el mismo valor, la llamada constante de Planck.

Eso para la luz.

¿Pero qué hay de las partículas de materia?

la pregunta empezó a tener respuesta cuando Louis de Broglie, un aristocrático físico francés del siglo XX, sugirió c¡ue las partículas de los materiales parecían ser conglomerados localizados porque no éramos capaces de verlas más de cerca.

Una mejor observación, creía, revelaría que ellas también tienen propiedades de onda.

Buscando soporte para sus ideas sobre la teoría de la relatividad de Einstein, de Broglie demostró que, con las ecuaciones de Einstein, podía representar el movimiento de la materia :omo ondas.

Presentó sus descubrimientos en 1924, en su :esis doctoral Recherches sur la Théorie des Quanta (Investigación sobre la Teoría Cuántica).

Se demostró experimentalmente gracias al trabajo con electrones llevado a cabo por los físicos americanos Clinton Joseph Davisson y Lester Hallbert Germer en 1927, quienes demostraron que los electrones, aun siendo partículas, se comportan como ondas. Planck había cambiado nuestra visión de la luz, Broglie cambió la de la materia.

La aportación de Schrodinger en esta revelación, fue tomar .as observaciones de Broglie y desarrollar una ecuación que describía el comportamiento de los electrones.

Usó la ecuación para definir los modos de movimiento de los electrones en los átomos, y descubrió que las ecuaciones sólo funcionaban cuando su componente de energía era múltiplo de la constante de Planck.

En 1933, Schrodinger recogió el Premio Nobel de Física, aero, al hacerlo, pagó tributo a Fritz Hasenhórl, el profesor de Física que había estimulado su imaginación cuando era estudiante en la Universidad de Viena.

Hasenhórl había sido asesinado en la Primera Guerra Mundial, pero durante su aiscurso de recepción, Schrodinger remarcó que de no haber sido por la guerra, habría sido Hasenhórl, y no él, quien recibiera el honor.

Fuente Consultada:
Las Grandes Ideas que Formaron Nuestro Mundo Pete Moore
TECNIRAMA Enciclopedia de la Ciencia y la Tecnología

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