Werner Karl Heisenberg fue un físico teórico alemán y uno de los pioneros clave 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, esta formulación matricial de la mecánica cuántica fue sustancialmente elaborada. Es conocido por el principio de incertidumbre, que publicó en 1927. Heisenberg fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1932 "por la creación de la mecánica cuántica".
Heisenberg también hizo contribuciones importantes a las teorías de la hidrodinámica de flujos turbulentos, el núcleo atómico, el ferromagnetismo, los rayos cósmicos y las partículas subatómicas. Fue un científico principal en el programa alemán de armas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial. También fue instrumental en la planificación del primer reactor nuclear alemán occidental en Karlsruhe, junto con un reactor de investigación en Múnich, en 1957.
Después de la Segunda Guerra Mundial, fue nombrado director del Instituto Kaiser Wilhelm de Física, que poco después fue renombrado el Instituto Max Planck de Física. Fue director del instituto hasta que fue trasladado a Múnich en 1958. Luego se convirtió en director del Instituto Max Planck de Astrofísica de 1960 a 1970.
Heisenberg también fue presidente del Consejo de Investigación Alemán, presidente de la Comisión de Física Atómica, presidente del Grupo de Trabajo de Física Nuclear y presidente de la Fundación Alexander von Humboldt.
Primeros años y estudios
Años tempranos
Werner Karl Heisenberg nació en Würzburg, Alemania, de Kaspar Ernst August Heisenberg, un profesor de escuela secundaria de lenguas clásicas que se convirtió en el único profesor ordinario de Alemania de estudios griegos medievales y modernos en el sistema universitario, y su esposa, Annie Wecklein.
Heisenberg fue criado y vivió como cristiano luterano. Su autobiografía comienza con el joven Heisenberg en sus últimos años de adolescencia, leyendo el Timeo de Platón mientras caminaba por los Alpes de Baviera. Heisenberg relató las conversaciones filosóficas con sus compañeros estudiantes y maestros sobre la comprensión del átomo mientras recibía su formación científica en Múnich, Gotinga y Copenhague. Heisenberg declaró posteriormente que "Mi mente fue formada por el estudio de la filosofía, Platón y ese tipo de cosas". y que "La física moderna ha decidido definitivamente a favor de Platón. De hecho, las unidades más pequeñas de la materia no son objetos físicos en el sentido ordinario; son formas, ideas que pueden ser expresadas de manera inequívoca solo en lenguaje matemático"
Heisenberg llegó a Múnich en 1919 como miembro del Freikorps para luchar contra la República Soviética Bávara establecida un año antes. Cinco décadas después recordó aquellos días como diversión juvenil, como "jugar a policías y ladrones y cosas así; no era nada serio en absoluto".
Habilitación
Estudió física y matemáticas de 1920 a 1923 en la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich y la Universidad Georg-August de Gotinga. En Múnich, estudió bajo Arnold Sommerfeld y Wilhelm Wien. En Gotinga, estudió física con Max Born y James Franck y matemáticas con David Hilbert. Recibió su doctorado en 1923 en Múnich bajo Sommerfeld. En Gotinga, bajo Born, completó su habilitación en 1924 con una tesis de habilitación sobre el efecto Zeeman anómalo.
Debido a que Sommerfeld tenía un sincero interés en sus estudiantes y conocía el interés de Heisenberg en las teorías de Niels Bohr sobre física atómica, Sommerfeld llevó a Heisenberg a Gotinga para asistir al Festival Bohr de junio de 1922. En el evento, Bohr fue un profesor invitado y dio una serie de conferencias completas sobre física atómica cuántica. Allí, Heisenberg conoció a Bohr por primera vez, y tuvo un efecto significativo y continuo en él.
La tesis doctoral de Heisenberg, cuyo tema fue sugerido por Sommerfeld, fue sobre turbulencia; la tesis discutió tanto la estabilidad del flujo laminar como la naturaleza del flujo turbulento. El problema de la estabilidad fue investigado mediante el uso de la ecuación de Orr-Sommerfeld, una ecuación diferencial lineal de cuarto orden para pequeñas perturbaciones del flujo laminar. Brevemente regresó a este tema después de la Segunda Guerra Mundial.
En su juventud fue miembro y líder de scouts de los Neupfadfinder, una asociación de scouts alemana y parte del Movimiento de la Juventud Alemana. En agosto de 1923, Robert Honsell y Heisenberg organizaron un viaje a Finlandia con un grupo de scouts de esta asociación desde Múnich.
Vida personal
Heisenberg disfrutaba de la música clásica y era un pianista consumado. Su interés en la música lo llevó a conocer a su futura esposa. En enero de 1937, Heisenberg conoció a Elisabeth Schumacher (1914-1998) en un recital de música privado. Elisabeth era la hija de un conocido profesor de economía de Berlín, y su hermano era el economista E. F. Schumacher, autor de Lo pequeño es hermoso. Heisenberg se casó con ella el 29 de abril. Los gemelos fraternos Maria y Wolfgang nacieron en enero de 1938, momento en el cual Wolfgang Pauli felicitó a Heisenberg por su "creación de pares"—un juego de palabras sobre un proceso de la física de partículas elementales, producción de pares. Tuvieron cinco hijos más durante los siguientes 12 años: Barbara, Christine, Jochen, Martin y Verena. En 1936 compró una casa de verano para su familia en Urfeld am Walchensee, en el sur de Alemania.
Carrera académica
Gotinga, Copenhague y Leipzig
De 1924 a 1927, Heisenberg fue un Privatdozent en Gotinga, lo que significa que estaba calificado para enseñar y examinar de forma independiente, sin tener una cátedra. Del 17 de septiembre de 1924 al 1 de mayo de 1925, bajo una beca de la Junta de Educación Internacional de la Fundación Rockefeller, Heisenberg fue a hacer investigación con Niels Bohr, director del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Copenhague. Su artículo seminal, "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" "Reinterpretación teórica cuántica de relaciones cinemáticas y mecánicas", fue publicado en septiembre de 1925. Regresó a Gotinga y, con Max Born y Pascual Jordan durante un período de aproximadamente seis meses, desarrolló la formulación de mecánica matricial de la mecánica cuántica. El 1 de mayo de 1926, Heisenberg comenzó su nombramiento como profesor universitario y asistente de Bohr en Copenhague. Fue en Copenhague, en 1927, que Heisenberg desarrolló su principio de incertidumbre, mientras trabajaba en los fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica. El 23 de febrero, Heisenberg escribió una carta al colega físico Wolfgang Pauli, en la que describió por primera vez su nuevo principio. En su artículo sobre el principio, Heisenberg usó la palabra "Ungenauigkeit" imprecisión, no incertidumbre, para describirlo.
En 1927, Heisenberg fue nombrado profesor ordinario de física teórica y jefe del departamento de física de la Universidad de Leipzig; dio su conferencia inaugural allí el 1 de febrero de 1928. En su primer artículo publicado desde Leipzig, Heisenberg utilizó el principio de exclusión de Pauli para resolver el misterio del ferromagnetismo.
Durante la permanencia de Heisenberg en Leipzig, la alta calidad de los estudiantes de doctorado y asociados de postgrado e investigación que estudiaron y trabajaron con él es clara desde el reconocimiento que muchos ganaron posteriormente. En varios momentos incluyeron a Erich Bagge, Felix Bloch, Ugo Fano, Siegfried Flügge, William Vermillion Houston, Friedrich Hund, Robert S. Mulliken, Rudolf Peierls, George Placzek, Isidor Isaac Rabi, Fritz Sauter, John C. Slater, Edward Teller, John Hasbrouck van Vleck, Victor Frederick Weisskopf, Carl Friedrich von Weizsäcker, Gregor Wentzel y Clarence Zener.
A principios de 1929, Heisenberg y Pauli presentaron el primero de dos artículos sentando las bases para la teoría relativista de campos cuánticos. También en 1929, Heisenberg fue a una gira de conferencias por China, Japón, India y Estados Unidos. En la primavera de 1929, fue profesor visitante en la Universidad de Chicago, donde dictó conferencias sobre mecánica cuántica.
En 1928, el físico matemático británico Paul Dirac había derivado su ecuación de onda relativista de la mecánica cuántica, que implicaba la existencia de electrones positivos, más tarde nombrados positrones. En 1932, a partir de una fotografía de cámara de niebla de rayos cósmicos, el físico estadounidense Carl David Anderson identificó una pista como hecha por un positrón. A mediados de 1933, Heisenberg presentó su teoría del positrón. Su pensamiento sobre la teoría de Dirac y el desarrollo adicional de la teoría fueron expuestos en dos artículos. El primero, "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" "Observaciones sobre la teoría de Dirac del positrón" fue publicado en 1934, y el segundo, "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" "Consecuencias de la teoría de Dirac del positrón", fue publicado en 1936. En estos artículos Heisenberg fue el primero en reinterpretar la ecuación de Dirac como una ecuación de campo "clásica" para cualquier partícula puntual de espín ħ/2, sujeta a condiciones de cuantización que involucran anticonmutadores. Así reinterpretándola como una ecuación de campo cuántico que describe con precisión los electrones, Heisenberg puso la materia en el mismo nivel que el electromagnetismo: como siendo descrita por ecuaciones de campo cuántico relativistas que permitían la posibilidad de creación y destrucción de partículas. Hermann Weyl ya había descrito esto en una carta de 1929 a Albert Einstein.
Mecánica matricial y el Premio Nobel
El artículo de Heisenberg estableciendo la mecánica cuántica ha desconcertado a físicos e historiadores. Sus métodos asumen que el lector está familiarizado con los cálculos de probabilidad de transición de Kramers-Heisenberg. La idea principal nueva, matrices no conmutativas, se justifica solo por un rechazo de cantidades inobservables. Introduce la multiplicación no conmutativa de matrices por razonamiento físico, basado en el principio de correspondencia, a pesar del hecho de que Heisenberg no estaba entonces familiarizado con la teoría matemática de matrices. El camino que conduce a estos resultados ha sido reconstruido en MacKinnon, 1977, y los cálculos detallados se desarrollan en Aitchison et al.
En Copenhague, Heisenberg y Hans Kramers colaboraron en un artículo sobre dispersión, o la dispersión de átomos de radiación cuya longitud de onda es mayor que los átomos. Mostraron que la fórmula exitosa que Kramers había desarrollado anteriormente no podía basarse en órbitas de Bohr, porque las frecuencias de transición se basan en espaciamientos de nivel que no son constantes. Las frecuencias que ocurren en la transformada de Fourier de órbitas clásicas afiladas, en contraste, están igualmente espaciadas. Pero estos resultados podrían ser explicados por un modelo de estado virtual semiclásico: la radiación entrante excita el electrón de valencia, o exterior, a un estado virtual desde el cual se desintegra. En un artículo posterior, Heisenberg mostró que este modelo de oscilador virtual también podría explicar la polarización de la radiación fluorescente.
Estos dos éxitos, y el fracaso continuo del modelo de Bohr-Sommerfeld para explicar el problema destacado del efecto Zeeman anómalo, llevaron a Heisenberg a usar el modelo de oscilador virtual para tratar de calcular frecuencias espectrales. El método resultó demasiado difícil de aplicar inmediatamente a problemas realistas, así que Heisenberg se volvió hacia un ejemplo más simple, el oscilador anarmónico.
El oscilador dipolar consiste en un oscilador armónico simple, que se considera una partícula cargada en un resorte, perturbado por una fuerza externa, como una carga externa. El movimiento de la carga oscilante puede expresarse como una serie de Fourier en la frecuencia del oscilador. Heisenberg resolvió el comportamiento cuántico por dos métodos diferentes. Primero, trató el sistema con el método del oscilador virtual, calculando las transiciones entre los niveles que serían producidas por la fuente externa.
Luego resolvió el mismo problema tratando el término de potencial anarmónico como una perturbación al oscilador armónico y utilizando los métodos de perturbación que él y Born habían desarrollado. Ambos métodos llevaron a los mismos resultados para los términos de corrección de primer orden y muy complicado segundo orden. Esto sugirió que detrás de los cálculos muy complicados había un esquema consistente.
Así Heisenberg se propuso formular estos resultados sin dependencia explícita del modelo de oscilador virtual. Para hacer esto, reemplazó las expansiones de Fourier para las coordenadas espaciales por matrices, matrices que correspondían a los coeficientes de transición en el método del oscilador virtual. Justificó este reemplazo por una apelación al principio de correspondencia de Bohr y la doctrina de Pauli de que la mecánica cuántica debe limitarse a observables.
El 9 de julio, Heisenberg le dio a Born este artículo para revisar y enviar para publicación. Cuando Born leyó el artículo, reconoció la formulación como una que podría ser transcrita y extendida al lenguaje sistemático de matrices, que había aprendido de su estudio bajo Jakob Rosanes en la Universidad de Breslau. Born, con la ayuda de su asistente y ex estudiante Pascual Jordan, comenzó inmediatamente a hacer la trascripción y extensión, y presentaron sus resultados para publicación; el artículo fue recibido para publicación solo 60 días después del artículo de Heisenberg. Un artículo de seguimiento fue presentado para publicación antes del final del año por los tres autores.
Hasta este momento, las matrices eran raramente utilizadas por los físicos; se consideraba que pertenecían al ámbito de las matemáticas puras. Gustav Mie las había utilizado en un artículo sobre electrodinámica en 1912 y Born las había utilizado en su trabajo sobre la teoría del retículo de cristales en 1921. Si bien las matrices se utilizaron en estos casos, el álgebra de matrices con su multiplicación no entró en la imagen como lo hicieron en la formulación matricial de la mecánica cuántica.
En 1928, Albert Einstein nominó a Heisenberg, Born y Jordan para el Premio Nobel de Física, El anuncio del Nobe
