Werner Heisenberg
gigatos | febrero 6, 2022
Resumen
Werner Carl Heisenberg (5 de diciembre de 1901, Würzburg – 1 de febrero de 1976, Múnich) fue un físico teórico alemán, uno de los fundadores de la mecánica cuántica, Premio Nobel de Física (1932) y miembro de varias academias y sociedades científicas.
Heisenberg es el autor de una serie de resultados fundamentales en la teoría cuántica: sentó las bases de la mecánica matricial, formuló la relación de incertidumbre, aplicó el formalismo de la mecánica cuántica a los problemas del ferromagnetismo, el efecto Zeeman anómalo y otros. Más tarde participó activamente en el desarrollo de la electrodinámica cuántica (teoría de Heisenberg-Pauli) y la teoría cuántica de campos (teoría de la matriz S), y en las últimas décadas de su vida intentó crear una teoría de campos unificada. Heisenberg pertenece a una de las primeras teorías mecánicas cuánticas de las fuerzas nucleares, durante la Segunda Guerra Mundial fue el principal teórico del proyecto nuclear alemán. También trabajó en la física de los rayos cósmicos, la teoría de la turbulencia y los problemas filosóficos de las ciencias naturales. Heisenberg desempeñó un papel fundamental en la organización de la investigación científica en la Alemania de posguerra.
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La adolescencia (1901-1920)
Werner Heisenberg nació en Würzburg en el seno de la familia de August Heisenberg, profesor de filología griega medieval y moderna, y de Annie Wecklein, hija del director del Gimnasio Maximiliano de Munich. Era el segundo hijo de la familia; su hermano mayor, Erwin (1900-1965), se convirtió más tarde en químico. La familia se trasladó a Múnich en 1910, donde Werner asistió a la escuela, destacando en matemáticas, física y gramática. Sus estudios se interrumpieron en la primavera de 1918, cuando él y otros jóvenes de 16 años fueron enviados a una granja para realizar trabajos auxiliares. En esta época se interesó seriamente por la filosofía, leyendo a Platón y Kant. Tras el final de la Primera Guerra Mundial, el país y la ciudad se encontraban en una situación incierta, el poder estaba cambiando de un grupo político a otro. En la primavera de 1919, Heisenberg sirvió brevemente como sacristán, ayudando a las tropas del nuevo gobierno bávaro que habían entrado en la ciudad. Entonces participó en un movimiento juvenil, parte del cual se oponía firmemente al statu quo, a las viejas tradiciones y a los prejuicios. Así es como el propio Heisenberg recordaba una de estas reuniones de jóvenes:
Hubo muchos discursos cuyo patetismo nos parecería extraño hoy en día. Qué es más importante, el destino de nuestro pueblo o el destino de la humanidad; si la muerte sacrificial de los caídos carece de sentido en la derrota; si los jóvenes tienen derecho a conformar su propia vida según sus propias ideas de valores; qué es más importante, la lealtad a sí mismos o las viejas formas que han ordenado la vida de las personas durante siglos – todas estas cosas se discutieron y debatieron con pasión. Yo tenía demasiadas dudas sobre todos los temas para participar en estos debates, pero los escuché una y otra vez…
Sin embargo, su principal interés en esta época no era la política, la filosofía o la música (Heisenberg era un pianista dotado y, como recuerda Felix Bloch, podía tocar el instrumento durante horas), sino las matemáticas y la física. Los estudió sobre todo de forma independiente y sus conocimientos, que iban mucho más allá del curso escolar, se hicieron notar especialmente en sus exámenes finales de la escuela de gramática. Durante una larga enfermedad, leyó el libro de Hermann Weill «Espacio, tiempo y materia» y quedó impresionado por el poder de los métodos matemáticos y sus aplicaciones, y decidió estudiar matemáticas en la Universidad de Múnich, donde se matriculó en el verano de 1920. Sin embargo, Ferdinand von Lindemann, profesor de matemáticas, se negó a que el recién llegado fuera miembro de su seminario y, por consejo de su padre, Heisenberg acudió al conocido físico teórico Arnold Sommerfeld. Inmediatamente aceptó a Werner en su grupo, donde ya trabajaba el joven Wolfgang Pauli, que pronto se convirtió en un gran amigo de Heisenberg.
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Múnich – Gotinga – Copenhague (1920-1927)
Bajo la dirección de Sommerfeld, Heisenberg comenzó a trabajar en la línea de la llamada «vieja teoría cuántica». Sommerfeld pasó el invierno de 1922-1923 en la Universidad de Wisconsin (EE UU) y recomendó a su alumno que trabajara en Gotinga con Max Born. Así comenzó una fructífera colaboración entre ambos científicos. Cabe señalar que Heisenberg ya había visitado Gotinga en junio de 1922 durante el llamado «Festival Bohr», una serie de conferencias sobre la nueva física atómica impartidas por Niels Bohr. El joven físico llegó a conocer al famoso danés y charló con él durante uno de sus paseos. Como el propio Heisenberg recordaría más tarde, esta conversación tuvo una gran influencia en la configuración de sus puntos de vista y su enfoque de los problemas científicos. Definió el papel de varias influencias en su vida de la siguiente manera: «Aprendí el optimismo de Sommerfeld, las matemáticas de Göttingen y la física de Bohr.
Heisenberg regresó a Múnich para el curso de verano de 1923. Para entonces ya había preparado una tesis sobre algunos problemas fundamentales de la hidrodinámica. El tema había sido sugerido por Sommerfeld, que pensaba que un tema más clásico simplificaría la defensa. Sin embargo, además de la tesis, era necesario realizar un examen oral de tres asignaturas para obtener el doctorado. Especialmente difícil fue una prueba de física experimental, a la que Heisenberg no había prestado mucha atención. Al final no pudo responder a ninguna de las preguntas del profesor Wilhelm Wien (sobre la resolución del interferómetro Fabry-Perot, el microscopio, el telescopio y el principio de la pila de plomo), pero, gracias a la intercesión de Sommerfeld, aún así recibió la nota más baja, suficiente para otorgar el título.
En otoño de 1923, Heisenberg volvió a Göttingen para ver a Born, que le consiguió un puesto de asistente adicional. Born describió así a su nuevo empleado:
Parecía un simple campesino, con el pelo corto y rubio, ojos claros y vivos y una expresión encantadora. Desempeñó sus funciones de ayudante con más seriedad que Pauli y fue de gran ayuda para mí. Su incomprensible rapidez y su aguda comprensión siempre le permitieron superar una cantidad colosal de trabajo sin mucho esfuerzo.
En Gotinga, el joven científico continuó sus trabajos sobre la teoría del efecto Zeeman y otros problemas cuánticos, y al año siguiente se sometió a la habilitación y fue autorizado oficialmente a dar conferencias. En otoño de 1924, Heisenberg acudió por primera vez a Copenhague para trabajar con Niels Bohr. También comenzó a trabajar estrechamente con Hendrik Kramers, escribiendo un artículo conjunto sobre la teoría de la dispersión cuántica.
En la primavera de 1925, Heisenberg regresó a Göttingen y durante los meses siguientes realizó progresos decisivos en la construcción de la primera teoría cuántica lógicamente coherente, la mecánica matricial. Posteriormente, el formalismo de la teoría se perfeccionó con la ayuda de Born y Pascual Jordan. Otra formulación de la teoría, la mecánica ondulatoria, fue dada por Erwin Schrödinger y estimuló tanto numerosas aplicaciones concretas como una profunda elaboración de los fundamentos físicos de la teoría. Uno de los resultados de esta actividad fue el principio de incertidumbre de Heisenberg, formulado a principios de 1927.
En mayo de 1926, Heisenberg se trasladó a Dinamarca y asumió sus funciones como profesor asociado en la Universidad de Copenhague y asistente de Niels Bohr.
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De Leipzig a Berlín (1927-1945)
El reconocimiento de los méritos científicos de Heisenberg se tradujo en invitaciones a cátedras de Leipzig y Zúrich. El científico eligió Leipzig, donde Peter Debye era director del Instituto de Física de la universidad, y en octubre de 1927 asumió el cargo de profesor de física teórica. Sus otros colegas fueron Gregor Wentzel y Friedrich Hund, y Guido Beck fue su primer asistente. Heisenberg cumplía una serie de funciones en el departamento, daba conferencias sobre física teórica y organizaba un seminario semanal sobre teoría atómica, que iba acompañado no sólo de intensas discusiones sobre problemas científicos, sino también de amistosas fiestas de té y ocasionales competiciones de tenis de mesa (el joven profesor jugaba muy bien y con mucho gusto). Sin embargo, como señalan los biógrafos Neville Mott y Rudolf Peierls, la temprana fama de Heisenberg apenas influyó en sus cualidades personales:
Nadie le habría juzgado si hubiera empezado a tomarse en serio a sí mismo y a volverse un poco pomposo después de haber dado al menos dos pasos cruciales que cambiaron la faz de la física, y después de haberse convertido en profesor a una edad tan temprana, lo que hizo que muchas personas mayores y menos importantes se sintieran también importantes, pero siguió siendo como era: informal y alegre en su trato, casi infantil y con una modestia que rozaba la timidez.
Los primeros alumnos de Heisenberg aparecieron en Leipzig y pronto se formó aquí una importante escuela científica. Entre los miembros del grupo teórico se encontraban Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater y Edward Teller, Laszlo Tissa, John Hasbrouck van Fleck, Victor Weisskopf, Karl von Weizsäcker, Clarence Zehner, Isidor Rabi, Gleb Vatagin, Erich Bagge, Hans Euler, Siegfried Flügge, Theodor Förster. Theodor Förster, Grete Hermann, Hermann Arthur Jahn, Fritz Sauter, Ivan Supek, Harald Wergeland, Giancarlo Wieck, William Vermillion Houston y muchos otros. Aunque el profesor no solía entrar en los detalles matemáticos del trabajo de sus alumnos, a menudo ayudaba a aclarar la naturaleza física del problema que estaba estudiando. Felix Bloch, el primer alumno de Heisenberg (y posterior premio Nobel) describió así las cualidades pedagógicas y científicas de su mentor
Si tengo que elegir la única de sus grandes cualidades como profesor, sería su actitud extraordinariamente positiva ante cualquier progreso y su estímulo en este sentido. …Uno de los rasgos más llamativos de Heisenberg era la intuición casi inconfundible que mostraba al abordar un problema físico, y la forma fenomenal en que las soluciones parecían caer del cielo.
En 1933, Heisenberg fue galardonado con el Premio Nobel de Física del año anterior con la mención «por la creación de la mecánica cuántica, cuyas aplicaciones, entre otras cosas, condujeron al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno». A pesar de su alegría, el científico expresó su desconcierto por el hecho de que sus colegas Paul Dirac y Erwin Schrödinger recibieran el mismo premio (para 1933) por dos, mientras que Max Born fue completamente ignorado por el Comité Nobel. En enero de 1937 conoció a una joven, Elisabeth Schumacher (1914-1998), hija de un profesor de economía de Berlín, y en abril se casó con ella. Al año siguiente tuvieron a los gemelos Wolfgang y Anna-Maria. En total tuvieron siete hijos, algunos de los cuales también se interesaron por la ciencia: Martin Heisenberg se convirtió en genetista, Jochen Heisenberg en físico, y Anna-Marie y Verena en fisiólogas.
Para entonces, la situación política en Alemania había cambiado radicalmente: Hitler había llegado al poder. Heisenberg, que decidió quedarse en el país, no tardó en ser atacado por los opositores de la llamada «física judía», que incluía la mecánica cuántica y la relatividad. Sin embargo, a lo largo de los años 30 y principios de los 40, el científico trabajó prolíficamente en problemas de teoría del núcleo atómico, física de los rayos cósmicos y teoría del campo cuántico. Desde 1939 participó en el proyecto nuclear alemán como uno de sus líderes, y en 1942 fue nombrado profesor de física en la Universidad de Berlín y director del Instituto de Física de la Sociedad Kaiser Wilhelm.
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Período de posguerra (1946-1976)
Durante la Operación Epsilon, diez científicos alemanes (entre ellos Heisenberg) que trabajaban en armas nucleares en la Alemania nazi fueron detenidos por las fuerzas aliadas. Los científicos fueron capturados entre el 1 de mayo y el 30 de junio de 1945 y llevados a Farm Hall, un edificio con micrófonos en Godmanchester, cerca de Cambridge, Inglaterra. Fueron retenidos allí desde el 3 de julio de 1945 hasta el 3 de enero de 1946 para determinar lo cerca que estaban los alemanes de construir una bomba atómica.
A principios de 1946, el coronel B. K. Blount, miembro del departamento científico del gobierno militar de la zona de ocupación británica, invitó a Heisenberg y a Otto Hahn a Göttingen, donde iba a comenzar el renacimiento de la ciencia en la devastada Alemania. Los científicos dedicaron mucha atención al trabajo organizativo, primero en el seno del Consejo de la Ciencia y luego en la Sociedad Max Planck, que sustituyó a la Sociedad Kaiser Wilhelm. En 1949, tras la creación de la RFA, Heisenberg se convirtió en el primer presidente de la Asociación Alemana de Investigación, que debía promover el trabajo científico en el país. Como jefe del Comité de Física Atómica, fue uno de los iniciadores de los trabajos sobre reactores nucleares en Alemania. Al mismo tiempo, Heisenberg se opuso a la adquisición de armas nucleares por parte del gobierno de Adenauer. En 1955 participó activamente en la aparición de la llamada Declaración de Mainau, firmada por dieciséis premios Nobel, y dos años más tarde en el Manifiesto de Göttingen de dieciocho científicos alemanes. En 1958, firmó un llamamiento iniciado por Linus Pauling y dirigido al Secretario General de las Naciones Unidas en el que se pedía la prohibición de las pruebas nucleares. Un resultado lejano de esta actividad fue la adhesión de la RFA al Tratado de No Proliferación de Armas Nucleares.
Heisenberg apoyó activamente la creación del CERN, participando en varios de sus comités. En particular, fue el primer presidente del Comité de Política Científica y participó en la determinación de la dirección del desarrollo del CERN. Al mismo tiempo, Heisenberg era director del Instituto Max Planck de Física, que se trasladó de Gotinga a Múnich en 1958 y pasó a llamarse Max-Planck-Institut für Physik. El científico estuvo al frente de esta institución hasta su jubilación en 1970. Utilizó su influencia para crear nuevos institutos dentro de la Sociedad: el Centro de Investigación de Karlsruhe (ahora parte de la Universidad de Karlsruhe), el Max-Planck-Institut für Plasmaphysik y el Instituto de Física Extraterrestre. En 1953 se convirtió en el primer presidente de posguerra de la Fundación Alexander von Humboldt, cuyo objetivo era promover a los científicos extranjeros que quisieran trabajar en Alemania. Al ocupar ese cargo durante dos décadas, Heisenberg garantizó la autonomía de la Fundación y su estructura, libre de las deficiencias burocráticas de los organismos gubernamentales.
A pesar de sus numerosas responsabilidades administrativas y sociales, el científico continuó su labor científica, centrándose en los últimos años en los intentos de desarrollar una teoría del campo unificado. Entre sus colaboradores en el grupo de Göttingen se encontraban, en diferentes momentos, Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino y Hans-Peter Dürr, entre otros. Tras su jubilación, Heisenberg habló principalmente de cuestiones generales o filosóficas de la ciencia natural. En 1975 su salud empezó a deteriorarse y el 1 de febrero de 1976 falleció. El renombrado físico Eugene Wigner escribió al respecto:
No hay ningún físico teórico vivo que haya hecho una mayor contribución a nuestra ciencia que él. Al mismo tiempo, era amable con todos, carecía de arrogancia y nos mantenía en agradable compañía.
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La antigua teoría cuántica
Los primeros años de la década de 1920 en la física atómica fue la época de la llamada «vieja teoría cuántica», que se basaba originalmente en las ideas de Niels Bohr, desarrolladas en los trabajos de Sommerfeld y otros científicos. Uno de los principales métodos para obtener nuevos resultados fue el principio de correspondencia de Bohr. A pesar de algunos éxitos, muchas cuestiones aún no se han resuelto de forma satisfactoria, como el problema de varias partículas que interactúan o el de la cuantificación espacial. Además, la propia teoría era incoherente: las leyes clásicas de Newton sólo podían aplicarse a las órbitas estacionarias del electrón, mientras que la transición entre ellas no podía describirse sobre esta base.
Sommerfeld, consciente de todas estas dificultades, contrató a Heisenberg para trabajar en la teoría. Su primer artículo, publicado a principios de 1922, versaba sobre un modelo fenomenológico del efecto Zeeman. Este trabajo, que proponía un audaz modelo del marco atómico que interactuaba con los electrones de valencia e introducía números cuánticos semienteros, convirtió inmediatamente al joven científico en uno de los líderes de la espectroscopia teórica. Los trabajos posteriores analizaron la anchura y la intensidad de las líneas espectrales y sus componentes zeemanianas sobre la base del principio de correspondencia. Los artículos escritos en colaboración con Max Born consideraban problemas generales de la teoría de los átomos multielectrónicos (en el marco de la teoría clásica de las perturbaciones), analizaban la teoría de las moléculas y proponían una jerarquía de movimientos intramoleculares que diferían en su energía (rotaciones y vibraciones moleculares, excitaciones electrónicas), evaluaban los valores de las polarizabilidades atómicas y concluían que era necesaria la introducción de números cuánticos semienteros. Otra modificación de las relaciones cuánticas, consistente en atribuir a los estados cuánticos del átomo dos valores semienteros de los números cuánticos del momento angular, se derivó de la consideración del efecto Zeeman anómalo (esta modificación se explicó posteriormente por la presencia del espín del electrón). Este trabajo, a sugerencia de Born, sirvió como Habilitationsschrift, es decir, la base para la habilitación obtenida por Heisenberg a los 22 años en la Universidad de Gotinga.
El trabajo conjunto con Hendrik Kramers, escrito en Copenhague, contenía una formulación de la teoría de la dispersión que generalizaba los resultados recientes de Born y del propio Kramers. Ello dio lugar a fórmulas análogas a la teoría cuántica de la dispersión para la polarizabilidad del átomo en un estado estacionario determinado, teniendo en cuenta la posibilidad de transiciones a estados superiores e inferiores. Este importante trabajo, publicado a principios de 1925, fue el precursor inmediato de la primera formulación de la mecánica cuántica.
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Creación de la mecánica de la matriz
Heisenberg no estaba satisfecho con el estado de la teoría, que requería resolver cada problema particular dentro de la física clásica y luego traducirlo al lenguaje cuántico utilizando el principio de correspondencia. Este enfoque no siempre dio resultados y dependió en gran medida de la intuición del investigador. En la primavera de 1925, buscando un formalismo riguroso y lógicamente consistente, Heisenberg decidió abandonar la antigua descripción, sustituyéndola por una descripción en términos de las llamadas cantidades observables. Esta idea estuvo influenciada por los trabajos de Albert Einstein, que dio una definición relativista del tiempo en lugar del inobservable tiempo absoluto newtoniano. (Sin embargo, ya en abril de 1926, Einstein comentó en una conversación privada con Heisenberg que es la teoría la que determina qué cantidades son observables y cuáles no). Heisenberg rechazó los conceptos clásicos de posición y momento del electrón en el átomo y consideró la frecuencia y la amplitud de las oscilaciones, que pueden determinarse a partir de un experimento óptico. Consiguió representar estas cantidades como conjuntos de números complejos y dar la regla de su multiplicación, que resultó ser no conmutativa, y luego aplicar el método desarrollado al problema del oscilador anarmónico. Para un caso particular del oscilador armónico se siguió naturalmente la existencia de la llamada «energía de punto cero». Así, el principio de correspondencia se incluyó en los fundamentos mismos del esquema matemático desarrollado.
Heisenberg obtuvo la solución en junio de 1925 en la isla de Helgoland, donde se estaba recuperando de un ataque de fiebre del heno. Cuando regresó a Göttingen, describió sus resultados en un artículo «Sobre la interpretación teórica cuántica de las relaciones cinemáticas y mecánicas» y lo envió a Wolfgang Pauli. Tras obtener la aprobación de este último, Heisenberg entregó el artículo a Born para que lo publicara en la revista Zeitschrift für Physik, donde fue recibido el 29 de julio de 1925. Born no tardó en darse cuenta de que los conjuntos de números que representaban las magnitudes físicas no eran más que matrices y que la regla de Heisenberg para multiplicarlas era la regla de multiplicación de matrices.
En general, la mecánica matricial tuvo una acogida bastante pasiva por parte de la comunidad de físicos, poco familiarizada con el formalismo matemático de las matrices y desanimada por la extrema abstracción de la teoría. Sólo unos pocos científicos prestaron atención al artículo de Heisenberg. Por ejemplo, Niels Bohr lo elogió inmediatamente y afirmó que «ha comenzado una nueva era de estimulación mutua de la mecánica y las matemáticas». La primera formulación rigurosa de la mecánica matricial fue dada por Born y Pascual Jordan en su trabajo conjunto «Sobre la mecánica cuántica», terminado en septiembre de 1925. Obtuvieron la relación de permutación fundamental (condición cuántica) para las matrices de coordenadas y de momento. Heisenberg no tardó en involucrarse en esta investigación, que culminó en el famoso «trabajo de tres» (Drei-Männer Arbeit), terminado en noviembre de 1925. Presentó un método general para resolver problemas en el marco de la mecánica matricial, en particular considerando sistemas con un número arbitrario de grados de libertad, introduciendo transformaciones canónicas, dando los fundamentos de la teoría cuántica-mecánica de las perturbaciones, resolviendo el problema de la cuantización del momento angular, discutiendo las reglas de selección y una serie de otras cuestiones.
Las modificaciones posteriores de la mecánica matricial siguieron dos líneas principales: la generalización de las matrices en forma de operadores, llevada a cabo por Born y Norbert Wiener, y la representación de la teoría en forma algebraica (dentro del formalismo hamiltoniano), desarrollada por Paul Dirac. Este último recordó muchos años después lo estimulante que había sido la aparición de la mecánica matricial para el desarrollo posterior de la física atómica:
Tengo la razón más convincente para ser un admirador de Werner Heisenberg. Estudiábamos al mismo tiempo, teníamos casi la misma edad y trabajábamos en el mismo problema. Heisenberg tuvo éxito donde yo había fracasado. Para entonces se había acumulado una enorme cantidad de material espectroscópico y Heisenberg había encontrado el camino correcto a través de su laberinto. Con ello, inauguró una edad de oro de la física teórica, y pronto incluso un estudiante de segunda categoría pudo hacer un trabajo de primera.
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Relación de incertidumbres
A principios de 1926, comenzó a publicarse el trabajo de Erwin Schrödinger sobre la mecánica ondulatoria, que describía los procesos atómicos en la forma habitual de ecuaciones diferenciales continuas y que, como pronto quedó claro, era matemáticamente idéntico al formalismo matricial. Heisenberg se mostró crítico con la nueva teoría y, sobre todo, con su interpretación original como si se tratara de ondas reales con carga eléctrica. E incluso la aparición del tratamiento probabilístico de Born de la función de onda no resolvió el problema de la interpretación del formalismo, es decir, aclarar el significado de los conceptos utilizados en él. La necesidad de una solución a este problema se hizo especialmente evidente en septiembre de 1926, tras la visita de Schrödinger a Copenhague, donde en una larga discusión con Bohr y Heisenberg defendió la imagen de continuidad de los fenómenos atómicos y criticó el concepto de discreción y los saltos cuánticos.
El punto de partida del análisis de Heisenberg fue la constatación de la necesidad de ajustar los conceptos clásicos (como «coordenada» y «momento») para que pudieran utilizarse en microfísica, al igual que la teoría de la relatividad había ajustado los conceptos de espacio y tiempo, dando así sentido al formalismo de la transformación de Lorentz. Encontró una salida a la situación imponiendo un límite al uso de las nociones clásicas, expresado matemáticamente en forma de relación de incertidumbre: «cuanto más precisa sea la posición, menos preciso será el momento, y viceversa». Demostró sus conclusiones con un famoso experimento mental con un microscopio de rayos gamma. Heisenberg expuso sus resultados en una carta de 14 páginas a Pauli, quien los elogió. Bohr, que había regresado de sus vacaciones en Noruega, no estaba del todo satisfecho e hizo una serie de comentarios, pero Heisenberg se negó a hacer cambios en su texto, mencionando las sugerencias de Bohr en una posdata. El 23 de marzo de 1927, los editores del Zeitschrift für Physik recibieron un artículo «Sobre el contenido ilustrativo de la cinemática y la mecánica cuántica» en el que se detallaba el principio de incertidumbre.
El principio de incertidumbre no sólo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la interpretación de la mecánica cuántica, sino que también planteó una serie de problemas filosóficos. Bohr lo relacionó con el concepto más general de adicionalidad que estaba desarrollando al mismo tiempo: interpretó las relaciones de incertidumbre como una expresión matemática del límite hasta el que son posibles los conceptos mutuamente excluyentes (adicionales). Además, el artículo de Heisenberg llamó la atención de físicos y filósofos sobre el concepto de medición, así como sobre una nueva e inusual comprensión de la causalidad propuesta por el autor: «… en una formulación fuerte de la ley de la causalidad: »si se conoce el presente con precisión, se puede predecir el futuro», la premisa es errónea, no la conclusión. En principio, no podemos conocer el presente en todos sus detalles». Más tarde, en 1929, introdujo el término «colapso del paquete de ondas» en la teoría cuántica, que se convirtió en uno de los conceptos básicos dentro de la llamada «interpretación de Copenhague» de la mecánica cuántica.
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Aplicaciones de la mecánica cuántica
La aparición de la mecánica cuántica (primero en forma de matriz y luego en forma de onda), reconocida inmediatamente por la comunidad científica, estimuló un rápido progreso en el desarrollo de los conceptos cuánticos, resolviendo una serie de problemas específicos. El propio Heisenberg completó en marzo de 1926 un trabajo conjunto con Jordan en el que explicaba el efecto Zeeman anómalo utilizando la hipótesis de Gaudsmit y Uhlenbeck sobre el espín de los electrones. En sus trabajos posteriores, que ya fueron escritos utilizando el formalismo de Schrödinger, consideró los sistemas multipartícula y mostró la importancia de la simetría de estados para comprender las características espectrales del helio (los términos para- y orto-helio), los iones de litio y las moléculas de dos cromos, lo que llevó a la conclusión de la existencia de dos formas alotrópicas del hidrógeno: el orto y el para-hidrógeno. De hecho, Heisenberg llegó de forma independiente a la estadística de Fermi-Dirac para sistemas que satisfacen el principio de Pauli.
En 1928 Heisenberg fundó la teoría cuántica del ferromagnetismo (modelo de Heisenberg), utilizando el concepto de fuerzas de intercambio entre electrones para explicar el llamado «campo molecular», introducido por Pierre Weiss en 1907. En este caso, el papel clave lo desempeñó la dirección relativa de los espines de los electrones, que determinó la simetría de la parte espacial de la función de onda y, por tanto, influyó en la distribución espacial de los electrones y en la interacción electrostática entre ellos. En la segunda mitad de la década de 1940, Heisenberg intentó sin éxito construir una teoría de la superconductividad que tuviera en cuenta únicamente la interacción electrostática entre los electrones.
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Electrodinámica cuántica
Desde finales de 1927 el principal problema que ocupaba a Heisenberg era la construcción de la electrodinámica cuántica, que consideraría no sólo la presencia de un campo electromagnético cuantificado, sino también su interacción con partículas cargadas relativistas. La ecuación de Dirac para el electrón relativista, aparecida a principios de 1928, por un lado, indicaba el camino correcto, pero por otro lado, daba lugar a una serie de problemas, aparentemente insolubles – el problema de la energía propia del electrón, relacionado con la aparición de un aditivo infinitamente grande a la masa de la partícula, y el problema de los estados con energía negativa. La investigación llevada a cabo por Heisenberg junto con Pauli, llegó a un punto muerto, y la abandonó temporalmente, retomando la teoría del ferromagnetismo. Sólo a principios de 1929 consiguieron ir más allá en la construcción de un esquema general de la teoría relativista, que se esbozó en un artículo terminado en marzo de ese año. El esquema propuesto se basa en un procedimiento de cuantificación de la teoría de campo clásica que contiene un lagrangiano invariante relativista. Los científicos aplicaron este formalismo a un sistema que incluye un campo electromagnético y ondas de materia que interactúan entre sí. En el siguiente trabajo, publicado en 1930, simplificaron considerablemente la teoría, utilizando consideraciones de simetría a partir de la comunicación con el famoso matemático Hermann Weyl. En primer lugar, se trataba de consideraciones de invariancia gauge, que permitían deshacerse de algunas construcciones artificiales de la formulación original.
Aunque el intento de Heisenberg y Pauli de construir la electrodinámica cuántica amplió significativamente los límites de la teoría atómica para incluir una serie de resultados conocidos, resultó incapaz de eliminar las divergencias asociadas a la energía propia infinita del electrón puntual. Todos los intentos realizados posteriormente para resolver este problema, incluidos los más radicales, como la cuantificación del espacio (modelo de celosía), fueron infructuosos. La solución se encontró mucho más tarde en el marco de la teoría de la renormalización.
Desde 1932, Heisenberg prestó mucha atención al fenómeno de los rayos cósmicos, que, en su opinión, ofrecía la oportunidad de verificar seriamente los conceptos teóricos. Fue en los rayos cósmicos donde Carl Anderson descubrió el positrón predicho previamente por Dirac (el «agujero» de Dirac). En 1934, Heisenberg desarrolló la teoría de los agujeros al incluir los positrones en el formalismo de la electrodinámica cuántica. Al mismo tiempo, al igual que Dirac, postuló la existencia del fenómeno de la polarización en el vacío y en 1936, junto con Hans Euler, calculó las correcciones cuánticas de las ecuaciones de Maxwell asociadas a este efecto (el llamado lagrangiano de Heisenberg-Euler).
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Física nuclear
En 1932, poco después del descubrimiento del neutrón por James Chadwick, Heisenberg propuso la idea de una estructura protón-neutrón del núcleo atómico (algo antes había sido propuesta de forma independiente por Dmitri Ivanenko) y en tres artículos intentó construir una teoría mecánico-cuántica de dicho núcleo. Aunque esta hipótesis resolvió muchas dificultades del modelo anterior (protón-electrón), el origen de los electrones emitidos en los procesos de desintegración beta, algunas características de la estadística de las partículas nucleares y la naturaleza de las fuerzas entre los nucleones seguían sin estar claras. Heisenberg intentó aclarar estas cuestiones asumiendo la existencia de interacciones de intercambio entre protones y neutrones en el núcleo, que son similares a las fuerzas entre el protón y el átomo de hidrógeno que forman el ion molecular de hidrógeno. Se supone que esta interacción tiene lugar a través de los electrones que se intercambian entre el neutrón y el protón, pero a estos electrones nucleares había que atribuirles propiedades «erróneas» (en particular, deberían ser sin espín, es decir, bosones). La interacción entre neutrones se describió de forma similar a la interacción entre dos átomos neutros en una molécula de hidrógeno. Aquí el científico expresó por primera vez la idea de la invariabilidad isotópica relacionada con el intercambio de carga entre los nucleones, y con la independencia de carga de las fuerzas nucleares. Ettore Majorana mejoró este modelo y descubrió el efecto de saturación de las fuerzas nucleares.
Tras la aparición en 1934 de la teoría de la desintegración beta, desarrollada por Enrico Fermi, Heisenberg se dedicó a ampliarla y sugirió que las fuerzas nucleares no surgen del intercambio de electrones, sino de pares electrón-neutrino (independientemente esta idea fue desarrollada por Ivanenko, Igor Tamm y Arnold Nordsik). Sin embargo, la magnitud de esta interacción fue mucho menor que la mostrada por el experimento. Sin embargo, este modelo (con algunos añadidos) siguió siendo dominante hasta la aparición de la teoría de Hideki Yukawa, que postulaba la existencia de partículas más pesadas que permitían la interacción de neutrones y protones en el núcleo. En 1938, Heisenberg y Euler desarrollaron métodos para analizar los datos de absorción de los rayos cósmicos, y pudieron dar la primera estimación del tiempo de vida de una partícula («mesotrón», o mesón, como se denominó posteriormente) perteneciente a la componente dura de los rayos, que al principio se asoció a la hipotética partícula Yukawa. Al año siguiente, Heisenberg analizó las limitaciones de las teorías cuánticas existentes sobre las interacciones entre partículas elementales, basadas en la teoría de perturbaciones, y discutió la posibilidad de ir más allá de estas teorías hasta el alto rango de energía alcanzable en los rayos cósmicos. En este campo es posible el nacimiento de múltiples partículas en los rayos cósmicos, que consideró en el marco de la teoría de los mesones vectoriales.
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Teoría del campo cuántico
En una serie de tres artículos escritos entre septiembre de 1942 y mayo de 1944, Heisenberg propuso una forma radical de deshacerse de la divergencia en la teoría cuántica de campos. La idea de una longitud fundamental (el quantum del espacio) le llevó a abandonar la descripción mediante una ecuación continua de Schrödinger. Volvió al concepto de observables, cuyas relaciones deben constituir la base de una futura teoría. Para las relaciones entre estas magnitudes, a las que se refería inequívocamente a las energías de los estados estacionarios y al comportamiento asintótico de la función de onda en los procesos de dispersión, absorción y emisión, introdujo (independientemente de John Wheeler, que lo hizo en 1937) el concepto de matriz S (matriz de dispersión), es decir, el operador que transforma una función de onda incidente en una función de onda dispersa. Según la idea de Heisenberg, la matriz S debía sustituir al hamiltoniano en la futura teoría. A pesar de las dificultades en el intercambio de información científica en condiciones de guerra, la teoría de las matrices de dispersión pronto fue retomada por varios científicos (Ernst Stückelberg en Ginebra, Hendrik Kramers en Leiden, Christian Møller en Copenhague, Pauli en Princeton), que se dedicaron a desarrollar el formalismo y a aclarar sus aspectos físicos. Sin embargo, con el tiempo quedó claro que esta teoría en su forma pura no puede convertirse en una alternativa a la teoría cuántica de campos ordinaria, pero puede ser una de las herramientas matemáticas útiles dentro de ella. En particular, se utiliza (de forma modificada) en el formalismo de Feynman de la electrodinámica cuántica. El concepto de la matriz S, complementado por una serie de condiciones, ha ocupado un lugar central en la formulación de la llamada teoría cuántica de campos axiomática y, posteriormente, en el desarrollo de la teoría de cuerdas.
En la posguerra, con el aumento del número de partículas elementales recién descubiertas, surgió el problema de describirlas con el menor número posible de campos e interacciones, en el caso más simple: un solo campo (entonces se puede hablar de una «teoría del campo unificado»). Desde aproximadamente 1950, el problema de encontrar la ecuación correcta para describir un solo campo ha sido el centro del trabajo científico de Heisenberg. Su enfoque se basaba en una generalización no lineal de la ecuación de Dirac y en la presencia de alguna longitud fundamental (del orden del radio del electrón clásico) que limitaba la aplicabilidad de la mecánica cuántica ordinaria. En general, esta dirección, confrontada inmediatamente con formidables problemas matemáticos y con la necesidad de acomodar una enorme cantidad de datos experimentales, fue aceptada con escepticismo por la comunidad científica y desarrollada casi exclusivamente en el grupo de Heisenberg. Aunque no se logró el éxito y el desarrollo de la teoría cuántica prosiguió principalmente por otros caminos, algunas ideas y métodos que aparecen en los trabajos del científico alemán han desempeñado su papel en este desarrollo posterior. En particular, la idea de representar al neutrino como una partícula Goldstone, que surge como resultado de la ruptura espontánea de la simetría, influyó en el desarrollo del concepto de supersimetría.
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Hidrodinámica
Heisenberg comenzó a ocuparse de los problemas fundamentales de la dinámica de los fluidos a principios de la década de 1920, en su primer trabajo intentó, siguiendo a Theodore von Karman, determinar los parámetros de la cola de vórtice que se produce detrás de una placa en movimiento. En su tesis doctoral examinó la estabilidad del flujo laminar y la naturaleza de la turbulencia en el ejemplo del flujo de fluidos entre dos placas planas paralelas. Pudo demostrar que el flujo laminar, estable a bajos números de Reynolds (por debajo de un valor crítico), se vuelve inestable al principio, pero a valores muy altos su estabilidad aumenta (sólo las perturbaciones de onda larga son inestables). Heisenberg volvió al problema de la turbulencia en 1945, cuando fue internado en Inglaterra. Desarrolló un enfoque basado en la mecánica estadística, que era muy parecido a las ideas desarrolladas por Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov y otros científicos. En particular, pudo demostrar cómo se intercambia energía entre vórtices de diferentes tamaños.
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Relación con el régimen nazi
Poco después de que Hitler llegara al poder en enero de 1933, comenzó una cruda invasión de la política en la vida universitaria establecida con el objetivo de «limpiar» la ciencia y la educación de judíos y otros elementos indeseables. Heisenberg, al igual que muchos de sus colegas, se escandalizó por el puro antiintelectualismo del nuevo régimen, que estaba destinado a debilitar la ciencia alemana. Sin embargo, al principio se inclinó por destacar los rasgos positivos de los cambios que se estaban produciendo en el país. La retórica nazi del renacimiento alemán y de la cultura alemana parece haberle atraído por su cercanía a los ideales románticos propugnados por el movimiento juvenil tras la Primera Guerra Mundial. Además, como señala David Cassidy, biógrafo del científico, la pasividad con la que Heisenberg y sus colegas percibían los cambios estaba probablemente relacionada con la tradición de considerar la ciencia como una institución ajena a la política.
Los intentos de Heisenberg, Max Planck y Max von Laue de cambiar la política hacia los científicos judíos, o al menos mitigar sus efectos mediante contactos personales y peticiones a través de los canales burocráticos oficiales, fueron infructuosos. Desde el otoño de 1933, los «no arios», las mujeres y las personas con convicciones izquierdistas tienen prohibido enseñar. A partir de 1938, los futuros profesores deben demostrar su idoneidad política. En esta situación, Heisenberg y sus colegas, considerando prioritaria la preservación de la física alemana, hicieron intentos de sustituir los puestos vacantes con científicos alemanes o incluso extranjeros, lo que fue recibido negativamente por la comunidad científica y tampoco alcanzó su objetivo. El último recurso era dimitir en señal de protesta, pero Planck disuadió a Heisenberg señalando la importancia de la supervivencia de la física a pesar del desastre que le esperaba a Alemania en el futuro.
El deseo de mantener su postura apolítica no sólo impidió que Heisenberg y otros científicos se resistieran al creciente antisemitismo en los círculos universitarios, sino que pronto los puso a ellos mismos bajo un serio ataque de los «físicos arios». En 1935 se intensificaron los ataques contra la «física judía», que incluía la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Estas acciones, apoyadas por la prensa oficial, fueron dirigidas por activos partidarios del régimen nazi, los premios Nobel Johannes Stark y Philipp Lenard. La dimisión de Arnold Sommerfeld, que eligió a su famoso alumno para sucederle como profesor en la Universidad de Múnich, provocó ataques contra Heisenberg, calificado por Stark en diciembre de 1935 como «Geist von Einsteins Geist». El científico publicó una respuesta en el periódico del partido nazi Völkischer Beobachter, en la que pedía que se prestara más atención a las teorías físicas fundamentales. En la primavera de 1936, Heisenberg, junto con Hans Geiger y Max Wien, consiguió reunir las firmas de 75 profesores en una petición de apoyo a este llamamiento. Estas contramedidas parecían inclinar al Ministerio Imperial de Educación hacia el lado de los científicos, pero el 15 de julio de 1937 la situación volvió a cambiar. Ese día, el periódico oficial de las SS Das Schwarze Korps publicó un importante artículo de Stark titulado «Los judíos blancos en la ciencia» («Weisse Juden» in der Wissenschaft) en el que proclamaba la necesidad de eliminar el «espíritu judío» de la física alemana. Heisenberg fue amenazado personalmente con ser enviado a un campo de concentración y nombrado «Osiecki de la física». A pesar de las numerosas invitaciones que recibió del extranjero, Heisenberg no estaba dispuesto a abandonar el país y decidió negociar con el gobierno. David Cassidy dio la siguiente imagen de esta difícil elección
Si el régimen le hubiera devuelto su estatus de superioridad, habría aceptado los compromisos que se le exigían, convenciéndose además de la justicia de la nueva justificación: con el sacrificio personal de permanecer en su puesto, protegía de hecho la correcta física alemana de la distorsión del nacionalsocialismo.
Siguiendo el curso elegido, Heisenberg redactó dos cartas oficiales -al Ministerio de Educación del Reich y al Reichsführer de las SS, Heinrich Himmler- exigiendo una respuesta oficial a las acciones de Stark y sus partidarios. En las cartas, afirmaba que si los atentados eran aprobados oficialmente por las autoridades, dimitiría de su cargo; si no, requería la protección del gobierno. Gracias a un conocido de la madre del científico con la madre de Himmler, la carta llegó a su destino. Sin embargo, tuvo que pasar casi un año, durante el cual Heisenberg fue interrogado por la Gestapo, se intervinieron sus conversaciones en casa y se espiaron sus acciones, antes de recibir una respuesta positiva de un alto funcionario del Reich. Sin embargo, el puesto de catedrático en Múnich fue otorgado a otro candidato más leal al partido.
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El inicio del proyecto del uranio. Viaje a Copenhague
El compromiso alcanzado entre Heisenberg y los dirigentes nazis fue descrito en sentido figurado por Cassidy como el pacto fáustico. Por un lado, el éxito contra los «físicos arios» y la rehabilitación pública del científico supuso el reconocimiento de su importancia (y la de sus colegas) en el mantenimiento de un alto nivel de educación e investigación en física en el país. La otra cara de este compromiso fue la voluntad de los científicos alemanes (incluido Heisenberg) de cooperar con las autoridades y participar en los desarrollos militares del Tercer Reich. La relevancia de esto último aumentó especialmente con el estallido de la Segunda Guerra Mundial, no sólo para el ejército, sino también para los propios científicos, ya que la cooperación con los militares servía de protección fiable contra el reclutamiento en el frente. El acuerdo de Heisenberg de trabajar para el gobierno nazi tenía otra cara, expresada así por Mott y Peierls:
…es razonable suponer que quería que Alemania ganara la guerra. No aceptaba muchos aspectos del régimen nazi, pero era un patriota. Desear la derrota de su país habría implicado opiniones mucho más rebeldes que las que él tenía.
Ya en septiembre de 1939, la cúpula del ejército apoyó la creación del llamado «Club del Uranio» (Uranverein) para profundizar en las perspectivas de utilización de la fisión nuclear del uranio, descubierta por Otto Hahn y Fritz Strassmann a finales de 1938. Heisenberg fue uno de los invitados a una de las primeras discusiones sobre el problema, el 26 de septiembre de 1939, en la que se expusieron las líneas generales del proyecto y la posibilidad de aplicaciones militares de la energía nuclear. El científico debía investigar teóricamente el funcionamiento de la «máquina de uranio», como se llamaba entonces el reactor nuclear. En diciembre de 1939, presentó su primer informe clasificado con un análisis teórico sobre la posibilidad de generar energía por fisión nuclear. En ese informe se proponían como moderadores el carbón y el agua pesada, pero a partir del verano de 1940 se decidió utilizar esta última como opción más económica y asequible (ya se había producido en la Noruega ocupada).
Tras su rehabilitación por parte de los dirigentes nazis, Heisenberg pudo dar conferencias no sólo en Alemania, sino también en otros países europeos (incluidos los ocupados). Desde el punto de vista de los burócratas del partido, debía ser la encarnación de la prosperidad de la ciencia alemana. Mark Walker, un reconocido experto en la historia de la ciencia alemana de este periodo, escribió sobre el tema:
Está claro que Heisenberg trabajaba para la propaganda nazi sin saberlo, tal vez incluso sin saberlo. Sin embargo, está igualmente claro que los funcionarios nacionalsocialistas en cuestión lo utilizaban con fines propagandísticos, que sus actividades eran efectivas en este sentido y que sus colegas extranjeros tenían motivos para creer que estaba promoviendo el nazismo… Esos viajes de conferencias al extranjero, quizás más que cualquier otra cosa, envenenaron sus relaciones con muchos colegas extranjeros y antiguos amigos fuera de Alemania.
Tal vez el ejemplo más famoso de un viaje de este tipo fue una reunión con Niels Bohr en Copenhague en septiembre de 1941. No se conocen los detalles de la conversación entre los dos científicos y las interpretaciones son muy variadas. Según el propio Heisenberg, quería conocer la opinión de su maestro sobre el aspecto moral de la creación de nuevas armas, pero como no podía hablar abiertamente, Bohr le malinterpretó. El danés dio una interpretación muy diferente del encuentro. Tuvo la impresión de que los alemanes estaban trabajando intensamente en el tema del uranio y Heisenberg quería averiguar lo que sabía al respecto. Además, Bohr creía que su invitado le había sugerido que cooperara con los nazis. Las opiniones del científico danés se reflejaron en un borrador de cartas, publicado por primera vez en 2002 y ampliamente comentado en la prensa.
En 1998 se estrenó en Londres la obra Copenhague, del dramaturgo inglés Michael Frayn, centrada en un episodio de la relación entre Bohr y Heisenberg que no se aclaró del todo. Su éxito en el Reino Unido y luego en Broadway estimuló el debate entre físicos e historiadores de la ciencia sobre el papel del científico alemán en la creación de la «bomba para Hitler» y el contenido de la conversación con Bohr. Se ha sugerido que Heisenberg quería comunicar a través de Bohr a los físicos aliados que no siguieran adelante con las armas nucleares ni se centraran en un reactor pacífico, como hicieron los científicos alemanes. Según Walker, Heisenberg dijo en la conversación «tres cosas: 1) los alemanes están trabajando en la bomba atómica; 2) él mismo es ambivalente sobre este trabajo; 3) Bohr debería cooperar con el Instituto Alemán de la Ciencia y con las autoridades de ocupación». Por ello, no es de extrañar que el danés, tras trasladarse a Inglaterra y luego a Estados Unidos en el otoño de 1943, apoyara el desarrollo temprano de una bomba nuclear en estos países.
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Intentos de construir un reactor
A principios de 1942, a pesar de la escasez de uranio y agua pesada, varios grupos de científicos en Alemania habían logrado realizar experimentos de laboratorio con resultados alentadores en cuanto a la construcción de una «máquina de uranio». En particular, en Leipzig, Robert Döpel logró un aumento positivo del número de neutrones en la geometría esférica de la disposición de las capas de uranio, propuesta por Heisenberg. Un total de 70-100 científicos en Alemania trabajaron en el problema del uranio en diferentes grupos, unidos por un liderazgo común. De gran importancia para el destino del proyecto fue una conferencia organizada por el Consejo Científico Militar en febrero de 1942 (uno de los conferenciantes era Heisenberg). Aunque en esta reunión se reconoció el potencial militar de la energía nuclear, pero en vista de la actual situación económica y militar de Alemania, se decidió que su uso en un plazo razonable (alrededor de un año) no se conseguirá, y por tanto esta nueva arma no podrá influir en la guerra. No obstante, se consideró que la investigación nuclear era importante para el futuro (tanto militar como pacífico) y se decidió seguir financiándola, pero el liderazgo general se transfirió del ejército al Consejo Imperial de Investigación. Esta decisión se confirmó en junio de 1942 en una reunión de científicos con el Ministro de Armamento Albert Speer, y el objetivo principal era construir un reactor nuclear. Como señala Walker, la decisión de no llevar el trabajo a un nivel industrial resultó clave para el destino de todo el proyecto alemán de uranio:
Aunque hasta entonces las investigaciones americanas y alemanas habían ido en paralelo, los americanos pronto se adelantaron a los alemanes… Comparando los trabajos realizados desde el invierno de 1941
En julio de 1942, para organizar los trabajos sobre la «máquina del uranio», el Instituto de Física de Berlín volvió a la Sociedad Kaiser Wilhelm y Heisenberg fue nombrado director del Instituto (también fue nombrado profesor de la Universidad de Berlín). Dado que Peter Debye, que no había regresado de Estados Unidos, seguía siendo formalmente el director del instituto, el título del puesto de Heisenberg era «director en el instituto». A pesar de la escasez de materiales, en los años siguientes se realizaron en Berlín varios experimentos con el objetivo de obtener una reacción en cadena autosostenida en calderas nucleares de diversas geometrías. Este objetivo estuvo a punto de lograrse en febrero de 1945, el último experimento, que ya estaba en evacuación, en una sala excavada en una roca en el pueblo de Heigerloh (el propio instituto se encuentra cerca, en Hehingen). Fue aquí donde los científicos y la instalación fueron capturados por la misión secreta Alsos en abril de 1945.
Poco antes de que llegaran las tropas estadounidenses, Heisenberg se dirigió en bicicleta al pueblo bávaro de Urfeld, donde se encontraba su familia y donde pronto fue encontrado por los aliados. En julio de 1945, fue uno de los diez principales científicos alemanes implicados en el proyecto nuclear nazi que fueron internados en Farm Hall, cerca de Cambridge. Los físicos fueron vigilados constantemente durante seis meses y sus conversaciones fueron grabadas con micrófonos ocultos. Las grabaciones fueron desclasificadas por el gobierno británico en febrero de 1992 y constituyen un valioso documento sobre la historia del proyecto nuclear alemán.
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Discusiones de posguerra
Poco después del final de la guerra mundial, se inició un acalorado debate sobre las razones del fracaso de los físicos alemanes en la construcción de la bomba atómica. En noviembre de 1946, Die Naturwissenschaften publicó un artículo de Heisenberg sobre el proyecto nuclear nazi. Mark Walker destacó varias inexactitudes características en el tratamiento de los acontecimientos por parte del científico alemán: minimizar el papel de los físicos que estaban estrechamente vinculados a los círculos militares y no lo ocultaban (énfasis en un error experimental que condujo a la elección de agua pesada (en lugar de grafito) como moderador, aunque esta elección fue impulsada principalmente por consideraciones económicas; oscurecer la comprensión de los científicos alemanes del papel del reactor nuclear para producir plutonio para armas; atribuyendo a la reunión de los científicos con el ministro Speer el papel crucial de darse cuenta de la imposibilidad de construir armas nucleares antes de que terminara la guerra, aunque esto había sido reconocido incluso antes por los dirigentes del ejército que habían decidido no industrializar la investigación y no desperdiciar valiosos recursos en ella. En el mismo artículo de Heisenberg aparece por primera vez una insinuación de que los físicos alemanes (al menos los del entorno de Heisenberg) controlaban el curso de los trabajos y, por motivos morales, intentaban apartarlos del desarrollo de armas nucleares. Sin embargo, como observa Walker,
En primer lugar, Heisenberg y su entorno no sólo no controlaron el esfuerzo alemán por dominar la energía nuclear, sino que no habrían podido hacerlo si lo hubieran intentado siquiera, y en segundo lugar, gracias a la decisión de las autoridades del ejército en 1942 y a la situación general de la guerra, Heisenberg y otros científicos que trabajaban en el problema nuclear nunca tuvieron que enfrentarse al difícil dilema moral que surge ante la idea de fabricar armas nucleares para los nazis. ¿Por qué iban a arriesgarse a intentar cambiar el rumbo de la investigación si estaban seguros de que no podrían influir en el resultado de la guerra?
El otro lado del debate estaba representado por Sam Goudsmit, que había servido al final de la guerra como director científico de la misión Alsos (en tiempos anteriores él y Heisenberg habían sido bastante amigos). En una emotiva disputa que duró varios años, Goudsmit argumentó que el obstáculo para el éxito en Alemania eran las deficiencias de la ciencia en una sociedad totalitaria, pero en realidad acusó a los científicos alemanes de incompetencia, por considerar que no entendían del todo la física de la bomba. Heisenberg se opuso firmemente a esta última afirmación. Según Walker, «el daño causado a su reputación como físico probablemente le molestó más que las críticas por servir a los nazis».
La tesis de Heisenberg sobre la «resistencia moral» fue desarrollada por Robert Jung en su bestseller «Más brillante que mil soles», donde se argumentaba que los científicos alemanes saboteaban conscientemente el desarrollo de nuevas armas. Más tarde, esta versión se reflejó también en un libro de Thomas Powers. Por otra parte, la idea de Goudsmit sobre la incompetencia de los físicos puesta de manifiesto bajo los nazis fue recogida por el general Leslie Groves, jefe del Proyecto Manhattan, y posteriormente expresada por Paul Lawrence Rose en su libro. Según Walker, que consideraba que la razón principal del fracaso eran las dificultades económicas de los años de la guerra, ambas tesis opuestas se alejaban de la exactitud histórica y eran un reflejo de las necesidades de la época: la tesis de Heisenberg pretendía restablecer los derechos de la ciencia alemana y rehabilitar a los científicos que habían colaborado con los nazis, mientras que la afirmación de Goudsmit servía para justificar el miedo a las armas nucleares nazis y los esfuerzos de los aliados por construirlas. Mott y Pyerls también compartían efectivamente la opinión de que las dificultades técnicas eran cruciales y que era imposible que Alemania realizara un esfuerzo tan grande en las circunstancias imperantes.
Ambos puntos de vista opuestos (el del sabotaje y el de la incompetencia) no están del todo confirmados por las grabaciones de las conversaciones de los físicos alemanes realizadas durante su internamiento en Farm Hall. Además, fue en Farm Hall donde se enfrentaron por primera vez a la cuestión de las razones del fracaso, ya que hasta el bombardeo de Hiroshima estaban convencidos de que iban muy por delante de los estadounidenses y británicos en el desarrollo nuclear. En el curso de esta discusión, Karl von Weizsäcker sugirió por primera vez la idea de que no construyeron la bomba porque «no querían hacerlo». Como señala el historiador Horst Kant, esto tiene sentido, porque los propios Heisenberg y Weizsäcker, a diferencia de los participantes en el Proyecto Manhattan, no dedicaron todo su tiempo al desarrollo nuclear. En particular, Heisenberg sólo en 1942-1944, desarrolló activamente la teoría de la matriz S, y tal vez no sintió un interés especial en una investigación puramente militar. Hans Bethe, que fue jefe del departamento teórico del Laboratorio de Los Álamos durante la guerra, también concluyó a partir de las películas de Farm Hall que Heisenberg no estaba trabajando en la bomba atómica. El debate continúa hasta el día de hoy y está lejos de terminar, pero Cassidy cree que es seguro considerar a Heisenberg
…no como un héroe o un cruel villano, sino como un hombre educado y de gran talento que, desgraciadamente, se encontró indefenso en las terribles circunstancias de su tiempo, para las que, como la mayoría de la gente, no estaba preparado en absoluto.
A lo largo de su vida, Heisenberg prestó especial atención a los fundamentos filosóficos de la ciencia, a los que dedicó varias de sus publicaciones y discursos. A finales de la década de 1950 publicó Física y Filosofía, un texto de las Conferencias Gifford en la Universidad de St Andrews, y diez años más tarde su autobiografía La parte y el todo, que Carl von Weizsäcker calificó como el único diálogo platónico de nuestro tiempo. Heisenberg conoció la filosofía de Platón como alumno del gimnasio clásico de Múnich, donde recibió una educación de alta calidad en humanidades. Además, estuvo muy influenciado por su padre, un importante científico filosófico. Heisenberg mantuvo durante toda su vida el interés por Platón y otros filósofos de la antigüedad, e incluso creía que «difícilmente se puede avanzar en la física atómica moderna sin conocer la filosofía griega». En el desarrollo de la física teórica de la segunda mitad del siglo XX vio un retorno (a otro nivel) a algunas de las ideas atomistas de Platón:
Si queremos comparar los resultados de la física de partículas moderna con las ideas de cualquiera de los filósofos antiguos, la filosofía de Platón parece la más adecuada: las partículas de la física moderna son representantes de grupos de simetría, y en este sentido se parecen a las figuras simétricas de la filosofía de Platón.
Fueron las simetrías que determinan las propiedades de las partículas elementales -no las partículas en sí- lo que Heisenberg consideró como algo primordial y uno de los criterios de verdad de una teoría que buscaba estas simetrías y las leyes de conservación asociadas, vio en su belleza y orden lógico. La influencia de la filosofía de Platón también puede verse en sus primeros trabajos sobre la mecánica cuántica. Otra fuente de inspiración para el pensador Heisenberg fue la obra de Immanuel Kant, especialmente su concepto de conocimiento a priori y su análisis del pensamiento experimental, reflejado en la interpretación de la teoría cuántica. La influencia de Kant puede verse tanto en la modificación del significado de la causalidad por parte de Heisenberg como en su concepción de la observabilidad de las magnitudes físicas, que condujo al establecimiento del principio de incertidumbre y a la formulación del problema de la medición en microfísica. Los primeros trabajos de Heisenberg sobre la mecánica cuántica estuvieron influidos indirectamente por las ideas positivistas de Ernst Mach (a través de los escritos de Einstein).
Además de Einstein, Heisenberg estuvo profundamente influenciado por su amistad y colaboración con Niels Bohr, que prestó especial atención a la interpretación de la teoría, aclarando el significado de los conceptos utilizados en ella. Heisenberg, a quien Wolfgang Pauli calificó al principio de formalista puro, pronto asimiló la ideología de Bohr y en su famoso trabajo sobre las relaciones de incertidumbre realizó una importante contribución a la redefinición de los conceptos clásicos en el microcosmos. Más tarde no sólo fue uno de los principales actores en la formación final de la llamada interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, sino que también se dedicó repetidamente al análisis histórico y conceptual de la física moderna. El filósofo Anatoly Akhutin identificó la idea del límite en sentido amplio (el concepto de un centro organizador en torno al cual se construye una imagen unificada del mundo y de la ciencia; el problema de ir más allá del conocimiento existente y construir una nueva imagen de la realidad («pasos más allá del horizonte») como un motivo importante en el razonamiento de Heisenberg.
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Algunos artículos en traducción al ruso
Fuentes
