Werner Heisenberg: biografía, modelo atómico, aportes, y más

Werner Heisenberg fue un físico teórico alemán y uno de los pioneros clave de la mecánica cuántica. También realizó aportes significacitovs a las teorías de la hidrodinámica de los flujos turbulentos, el núcleo atómico, ferromagnetismo, rayos cósmicos y partículas subatómicas, y fue una pieza fundamental en la planificación del primer oeste Reactor nuclear alemán en Karlsruhe, junto con un reactor de investigación en Munich (Ver artículo: Clair Cameron Patterson)

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Biografía de Werner Heisenberg.

Werner Karl Heisenberg nació en Würzburg, Alemania, siendo hijo de Kaspar Ernst August Heisenberg, profesor de lenguas clásicas en la escuela secundaria y su esposa, Annie Wecklein. Fue criado en el seno de la iglesia luterana y dedicó parte de su vida a conciliar la religión y la ciencia

Estudió física y matemáticas entre 1920 y 1923 en la Ludwig-Maximilians-Universität München y la Georg-August-Universität Göttingen. En Munich, Werner Heisenberg estudió con Arnold Sommerfeld y Wilhelm Wien. En Göttingen, cursó física con Max Born y James Franck, y estudió matemáticas con David Hilbert. Recibió su doctorado en 1923, en Munich bajo la tutela de Sommerfeld y completó su Habilitation en 1924, en Göttingen con Born.

Como Sommerfeld tenía un interés sincero en sus estudiantes y sabía del interés de Werner Heisenberg en las teorías sobre física atómica de Niels Bohr, llevó al joven físico a Göttingen al Bohr-Festspiele (Festival de Bohr) en junio de 1922. En el evento, Bohr fue conferencista invitado y dio una serie de charlas integrales sobre la física atómica cuántica. Allí, Heisenberg se encontró con Bohr por primera vez.

La tesis doctoral de Heisenberg, cuyo tema fue sugerido por Sommerfeld, fue sobre la turbulencia; en ella discutió tanto la estabilidad del flujo laminar como la naturaleza del flujo turbulento.

A partir del 17 de septiembre de 1924 y hasta el 1 de mayo de 1925, gracias a una beca de la Fundación Rockefeller de la Junta Internacional de Educación, Werner Heisenberg comenzó a investigar con Niels Bohr, quien era director del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Copenhague. Su documento seminal fue publicado en septiembre de 1925.

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Luego de esto, regresó a Göttingen y, con Max Born y Pascual Jordan, durante un período de aproximadamente seis meses, desarrolló la formulación mecánica de la matriz de la física cuántica.

El 1 de mayo de 1926, Werner Heisenberg se inició como profesor universitario y asistente de Bohr en Copenhague. Fue en Copenhague, en 1927, cuando Heisenberg desarrolló su famoso principio mientras trabajaba en los fundamentos matemáticos de la mecánica cuántica. El 23 de febrero, Heisenberg escribió una carta al físico compañero Wolfgang Pauli, en la que describió por primera vez su nueva tesis. (Ver artículo: Sigmund Freud)

En 1927, Heisenberg fue nombrado ordentlicher Professor (profesor ordinario) de física teórica y jefe del departamento de física en la Universität Leipzig. En su primer artículo publicado en Leipzig, Werner utiliza el principio de exclusión de Pauli para resolver el misterio de ferromagnetismo.

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En los primeros meses de 1929, Werner Heisenberg y Pauli dieron a conocer el primero de los dos estudios que expresan los principios de la teoría cuántica en el campo de la relatividad. Eses mismo año, el científico dio inicio a una gira de charlas en China, Japón, India y Estados Unidos.

Poco después del hallazgo del neutrón en 1932, el científico publicó el primero de tres artículos sobre su modelo de neutrón-protón del núcleo y se le otorgó el Premio Nobel de Física ese mismo año por sus contribuciones en su área de experticia

Cuando Adolf Hitler ganó las elecciones en 1933, Werner Heisenberg fue criticado en los periódicos como un “judío blanco” debido a sus ganas de educar sobre la importancia de los científicos judíos. Como resultado, fue investigado por las SS.

Durante el III Reich, los partidarios de Hitler lanzaron ataques feroces contra los principales físicos teóricos, incluidos Arnold Sommerfeld y Heisenberg. El 29 de junio de 1936, un periódico del Partido Nazi publicó una columna atacando al científico. El 15 de julio de 1937, fue atacado en un diario de las SS. Este fue el comienzo de lo que se llamó el caso Heisenberg.

Siendo un verdadero admirador de la música clásica, en enero de 1937 Werner Heisenberg conoció a Elisabeth Schumacher en un recital de música privada. Elisabeth era hija de un conocido profesor de economía de Berlín, y su hermano era el economista E. F. Schumacher, autor de “Small Is Beautiful”. Heisenberg se casó con ella el 29 de abril. De ese matrimonio nacen las gemelas María y Wolfgang enero de 1938

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En 1939, poco después del hallazgo de la fisión nuclear,  Heisenberg se convirtió en uno de los principales colaboradores en el proyecto de realización de armas nucleares de Alemania, el Club Uranio

En 1945, la Misión Alsos, un esfuerzo de los aliados, se llevó a cabo con los objetivos de determinar si los alemanes tenían un programa de bomba atómica y explotar las instalaciones alemanas relacionadas

Nueve de los prominentes científicos alemanes que publicaron informes en como miembros del Club Uranio fueron capturados por la Misión Alsos y encarcelados en Inglaterra bajo la Operación Epsilon: Erich Bagge, Kurt Diebner, Walther Gerlach, Otto Hahn, Paul Harteck, Werner Heisenberg, Horst Korsching, Carl Friedrich von Weizsäcker y Karl Wirtz.

Heisenberg fue capturado y arrestado por el coronel Pash en Urfeld, el 3 de mayo de 1945, en una operación alpina en territorio todavía bajo control de las fuerzas alemanas. Fue llevado a Heidelberg, donde, el 5 de mayo, conoció a Goudsmit por primera vez desde la visita de Ann Arbor en 1939. Alemania se rindió solo dos días después. Heisenberg no volvió a ver a su familia durante ocho meses ya que fue trasladado a través de Francia y Bélgica a Inglaterra el 3 de julio de 1945

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El 3 de enero de 1946, los detenidos de la Operación Epsilon fueron transportados a Alswede en Alemania, que se encontraba en la zona de ocupación británica. Werner Heisenberg se estableció en Göttingen, también en zona británica. En julio, fue nombrado director del Instituto de Física Kaiser Wilhelm, ubicado en Göttingen.

En 1958, el instituto se trasladó a Munich, se amplió y cambió su nombre a Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik (MPIFA). Heisenberg fue su director desde 1960 hasta 1970, cuando renunció a final de año. Tras mudarse a Munich, el científico también se convirtió en profesor titular en la Universidad de Munich.

En 1947, Werner Heisenberg presentó conferencias en Cambridge, Edimburgo y Bristol, también contribuyó a la comprensión del fenómeno de la superconductividad con un artículo en 1947  y dos documentos en 1948, uno de ellos con Max von Laue.

En el período poco después de la Segunda Guerra Mundial, Heisenberg volvió brevemente al tema de su tesis doctoral, la turbulencia. Tres documentos fueron publicados en 1948 y uno en 1950

El 9 de marzo de 1949, el Deutsche Forschungsrat (Consejo Alemán de Investigación) fue establecido por Max-Planck Gesellschaft y Werner Heisenberg fue nombrado presidente. En 1951, la organización se fusionó con la Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft (Asociación de Emergencia de la Ciencia Alemana)

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En 1952, se desempeñó como presidente de la Comisión de Física Atómica de la DFG. También ese año, encabezó la delegación alemana en el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN).

En 1953, Heisenberg fue nombrado presidente del Alexander von Humboldt-Stiftung por Konrad Adenauer, donde sirvió hasta 1975. Además, desde 1953, el trabajo teórico de Werner Heisenberg se concentró en la teoría del campo unificado de partículas elementales.

A finales de 1955 y principios de 1956, Heisenberg dio conferencias en la Universidad de St Andrews, en Escocia, sobre la historia intelectual de la física. Las charlas fueron publicadas posteriormente como Física y filosofía: La revolución en la ciencia moderna.

Durante 1956 y 1957 fue presidente del Arbeitskreis Kernphysik (Grupo de Trabajo de Física Nuclear).

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Desde 1957, Werner Heisenberg estaba interesado en la física del plasma y el proceso de fusión nuclear. También colaboró ​​con el Instituto Internacional de Física Atómica en Ginebra. Fue miembro del Comité de Política Científica del Instituto, y durante varios años fue el presidente del Comité.

En 1973, dio una conferencia en la Universidad de Harvard sobre el desarrollo histórico de los conceptos de la teoría cuántica. El 24 de marzo de ese mismo año, Heisenberg dio un discurso ante la Academia Católica de Baviera, aceptando el Premio Romano Guardini.  

La salud del físico comenzó a fallar en 1973, muriendo el 1 de febrero de 1976 en Munich, Alemania. La noche siguiente, sus colegas y amigos recorrieron el Instituto de Física desde su casa y cada uno puso una vela cerca de la puerta principal. Werner Heisenberg se encuentra enterrado en Munich Waldfriedhof.

Si quieres conocer más sobre Werner Heisenberg, el científico responsable de diversos avances reconocidos mundialmente, te invitamos a que veas el siguiente vídeo

El modelo atómico.

Werner Heisenberg fue uno de los principales contribuyentes al programa atómico alemán durante la Segunda Guerra Mundial, en competencia directa con el Proyecto Manhattan.

En 1941, visitó Niels Bohr en Copenhague para discutir la investigación nuclear, y la posibilidad de convertir su conocimiento en una bomba nuclear. Para este momento Werner Heisenberg le refirió al arquitecto nazi Albert Speer, que una bomba no se podría construir antes de 1945 y que requeriría recursos monetarios y de mano de obra significativos.

A finales de 1942, el programa de energía nuclear alemán aún no daba sus frutos, por eso los científicos alemanes centraron sus esfuerzos en asuntos más urgentes que tendrían un impacto inmediato en la guerra.

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En 1943, el Proyecto Manhattan estableció la Misión Alsos para investigar el progreso alemán en el desarrollo de un arma nuclear. Estados Unidos tomó a numerosos científicos nucleares alemanes bajo custodia a lo largo de 1944 y 1945. Heisenberg y varios otros prominentes físicos alemanes fueron internados en Farm Hall en Inglaterra inmediatamente después de la guerra.

La contribución de Werner Heisenberg a la teoría atómica fue que calculó el comportamiento de los electrones y las partículas subatómicas que también forman un átomo. En lugar de centrarse principalmente en términos científicos, esta idea llevó a las matemáticas más a la comprensión de los patrones de los electrones de un átomo.

El descubrimiento de Werner Heisenberg, ayudó a aclarar la visión moderna del átomo porque los científicos pueden comparar los pocos átomos que existen, por sus movimientos de electrones y cuántos electrones contiene un átomo. Alrededor del exterior de un núcleo atómico se encuentra una nube de electrones, que es un nombre dado a los electrones que se extienden y se mueven ampliamente.

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En conclusión, Werner Heisenberg contribuyó a la teoría atómica al incluir la mecánica cuántica, la rama de la mecánica, basada en la teoría cuántica, utilizada para interpretar el comportamiento de partículas y átomos elementales.

Si quieres conocer más sobre los aportes realizados por Werner Heisenberg y sus compañeros científicos en relación al modelo atómico y a la química en general te invitamos a que veas el siguiente vídeo

Aportes de Werner Heisenberg

Werner Heisenberg, fue una de las figuras más significativas en la evolución de la mecánica cuántica y su interpretación actual, desarrolló la tesis cuántica del ferromagnetismo, el modelo neutrón-protón del núcleo, la teoría de la matriz S en la dispersión de átomos y varios otros avances significativos en la hipótesis cuántica de campos y la física de partículas de alta energía están asociados con él.

Fue un inagotable autor. Werner Heisenberg escribió más de 600 artículos originales de investigación, ensayos filosóficos y explicaciones para audiencias generales. Su obra aún está disponible en los nueve volúmenes de la “Gesammelte Werke”.

El científico es sinónimo del llamado principio de incertidumbre o indeterminación de 1927, de uno de los primeros avances de la mecánica cuántica en 1925, y de su sugerencia de una teoría del campo unificado, la llamada “fórmula mundial”.

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A mediados de 1933, Werner Heisenberg presentó su teoría del positrón. Su opinión sobre la teoría de Dirac y el posterior avance de la teoría se establecieron en dos artículos. El primero, Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons (Comentarios sobre la teoría del positrón de Dirac) se publicó en 1934, y el segundo, Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons (Consecuencias de la teoría del positrón de Dirac), se publicó en 1936.

En estos artículos, el científico reinterpretó la ecuación de Dirac como una ecuación de campo (cuántica) que describe con precisión electrones, Heisenberg puso la materia en pie de igualdad con el electromagnetismo: como se describe mediante ecuaciones de campo cuántico relativistas que permitieron la posibilidad de creación y destrucción de partículas. (Hermann Weyl ya había descrito esto en una carta de 1929 a Albert Einstein.)

En septiembre de 1942, Heisenberg presentó su primer escrito de una colección compuesta por tres partes que tratan sobre la matriz de dispersión de átomos, o matriz S, en mecánica de átomos fundamentales. Los primeros dos artículos se lanzaron en 1943 y el tercero en 1944.

Esta matriz describió sólo los estados de partículas incidentes en un proceso de colisión, los estados de aquellos que emergen de la colisión y los estados unidos estables; no habría referencia a los estados intermedios. Este fue el mismo antecedente que tomó en cuenta en el 1925, dando como resultado la base de la representación de la matriz de la física cuántica a través del uso de observables.

A pesar de las adversidades Werner Heisenberg, permaneció firmemente en Alemania durante los peores años del régimen de Hitler, encabezando el trabajo de investigación y estudio de Alemania sobre las posibles aplicaciones de la fisión nuclear durante la Segunda Guerra Mundial.

Fue de vital  importancia en la reconstrucción de la ciencia de Alemania Occidental después de la guerra. El papel de este gran científico e investigador fue crucial en el éxito de los planeamientos de investigación de física nuclear y alta energía de Alemania oeste.

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En el período constituido luego de la gran guerra, Werner siguió con su estudio de una teoría de campo cuántica integral, tomando en cuenta el planteamiento de la “matriz de dispersión” (introducido por primera vez en 1942) y regresando a la idea de una longitud universal mínima como característica clave.

En 1958 propuso una teoría unificada del campo -historias de periódicos referidas a su “fórmula mundial” – que él veía como un enfoque basado en la simetría para la proliferación de partículas en curso, sin embargo, el apoyo de la comunidad física fue limitado, particularmente con la aparición del modelo de quark en la década de 1960

En sus últimos años, Werner Heisenberg asumió varias posiciones de influencia en Alemania y en el extranjero, dando conferencias importantes sobre física teórica y otros temas.

Principio de incertidumbre.

La teoría de incertidumbre, fue propuesta en 1927 por el físico alemán Werner Heisenberg, y establece que la posición y la velocidad de un objeto no pueden valorarse con precisión al mismo tiempo, ni siquiera teóricamente. Los mismos conceptos de colocación precisa y rapidez justa juntos, de hecho, no tienen ningún significado en la naturaleza.

Cualquier intento de calcular con exactitud la velocidad de una partícula subatómica, como un átomo de carga negativa, la sacudirá de forma impredecible, de modo que una medición simultánea de su posición no tiene validez.

Werner Heisenberg, estableció que el resultado no tiene nada que ver con las deficiencias en los instrumentos de medición, la técnica o el observador; surge de la conexión íntima en la naturaleza entre partículas y ondas en el ámbito de las dimensiones subatómicas.

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Cada partícula tiene una onda asociada a ella; cada partícula en realidad muestra un comportamiento ondulatorio.

En este principio, se establece que es más probable que la partícula se encuentre en aquellos lugares donde las ondulaciones de la onda son mayores o más intensas. Cuanto más intensas se vuelven las ondulaciones de la onda asociada, sin embargo, cuanto más mal definida se convierte en la longitud de onda, que a su vez determina el momento de la partícula.

Werner Heisenberg, destacó que una onda estrictamente localizada tiene una longitud de onda indeterminada; su partícula asociada, aunque tiene una posición definida, no tiene cierta velocidad.

Una onda de partícula que tiene una longitud de onda bien definida, en otro orden de ideas, se extiende; la partícula asociada, aunque tiene una velocidad bastante precisa, puede ser casi cualquier parte. Una medición bastante precisa de un observable implica una incertidumbre relativamente grande en la medición del otro.

El principio de incertidumbre se expresa alternativamente en términos del momento y la posición de una partícula. El impulso de una partícula es igual al producto de su masa multiplicado por su velocidad. Por lo tanto, el producto de las incertidumbres en el momento y la posición de una partícula es igual a h / (4π) o más.

Este principio se aplica a otros pares relacionados (conjugados) de observables, como energía y tiempo: el producto de la incertidumbre en una medición de energía y la incertidumbre en el intervalo de tiempo durante el cual la medición también es igual a h / (4π) o más .

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La misma relación guarda, para un átomo o núcleo inestable, entre la incertidumbre en la cantidad de energía irradiada y la incertidumbre en la vida útil del sistema inestable a medida que hace una transición a un estado más estable.

Una forma en que Werner Heisenberg originalmente ilustró la imposibilidad intrínseca de violar el principio de incertidumbre es mediante la utilización del efecto observador de un microscopio imaginario como un dispositivo de medición.

Imagina a un experimentador tratando de medir la posición y el momento de un electrón disparándole un fotón.

Problema 1: si el fotón tiene una longitud de onda corta, y por lo tanto, un gran impulso, la posición se puede medir con precisión. Pero el fotón se dispersa en una dirección aleatoria, transfiriendo una gran e incierta cantidad de momento al electrón. Si el fotón tiene una longitud de onda larga y un impulso bajo, la colisión no perturba mucho el impulso del electrón, pero la dispersión revelará su posición sólo vagamente.

Problema 2: si se usa una gran abertura para el microscopio, la ubicación del electrón puede resolverse bien (consulte el criterio de Rayleigh); pero por el principio de conservación del momento, el momento transverso del fotón entrante afecta el momento de la línea de luz del electrón y, por lo tanto, el nuevo impulso del electrón se resuelve pobremente. Si se usa una abertura pequeña, la precisión de ambas resoluciones es al revés.

Si quieres conocer y entender un poco más el principio de incertidumbre ideado por Werner Heisenberg, te invitamos a ver el siguiente vídeo

La combinación de estas concesiones implica que no importa qué longitud de onda del fotón y tamaño de apertura se usen, el producto de la incertidumbre en la posición medida y el momento medido es mayor o igual que un límite inferior, que es (hasta un pequeño factor numérico ) igual a la constante de Planck.

Werner Heisenberg, no se preocupó por formular el principio de incertidumbre como un límite exacto él, prefirió usarlo como enunciado cuantitativo heurístico, corregir hasta pequeños factores numéricos, lo que hace inevitable la no conmutabilidad radicalmente nueva de la mecánica cuántica .

Libros

  • Física y filosofía: la revolución de la ciencia moderna:

El trabajo seminal de uno de los pensadores más importantes del siglo XX, Física y Filosofía, es la narrativa concisa y accesible de Werner Heisenberg sobre la revolución en la física moderna, en la que desempeñó un papel destacado. Siendo el resultado de una famosa serie de conferencias, el libro surge como una recopilación de todas las charlas que el científico realizó en relación a sus descubrimientos: el principio de incertidumbre y el modelo atómico

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  • Física y más allá

Es un libro de Werner Heisenberg que cuenta, desde su punto de vista, la historia de la exploración de la ciencia atómica y la mecánica cuántica en la primera mitad del siglo XX.

Como sugiere el subtítulo “Encuentros y conversaciones”, la parte central de este libro toma la forma de discusiones entre él mismo y otros científicos.

Con capítulos como “El primer encuentro con la ciencia sobre los átomos”, “Mecánica cuántica y conversaciones con Einstein”, “Conversación sobre la relación entre biología, física y química” y “El comportamiento de un individuo durante un desastre político “, con fecha de 1937-1941, un lector puede escuchar a personas como Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Albert Einstein o Max Planck hablar no solo sobre física, sino también sobre muchas otras cuestiones relacionadas con la biología, los humanos, la filosofía y la política .

Más allá de esto, estas conversaciones se encuentran a menudo en una descripción detallada de la atmósfera histórica y un hermoso paisaje, ya que muchos de ellos fueron educados en la naturaleza durante los muchos viajes que hicieron, con mochila o a vela.

El libro proporciona una explicación de primera mano sobre cómo se hace ciencia y cómo surgió la física cuántica, especialmente la interpretación de Copenhague, y fue publicado primero en alemán 1969, en inglés como Physics and Beyond (1971) y en francés en 1972 como La partie et le tout.

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  • Los principios físicos de la teoría cuántica:

Escrito por Werner Heisenberg y posteriormente traducido por Carl Eckart y Frank C. Hoyt, el libro fue publicado por primera vez en 1930 por la Universidad de Chicago. Luego, en 1949, de acuerdo con su página de derechos de autor, Dover Publications reimprimió la versión de 1930.

El libro discute la mecánica cuántica y una revisión de 1931 establece que se trata de una descripción menos técnica y menos complicada del teorema. Este trabajo ha sido citado más de 1200 veces.

En la obra, después de discutir brevemente varias teorías, incluida la teoría cuántica, Heisenberg habla de la base de los conceptos fundamentales de la teoría cuántica y su principio de incertidumbre o relaciones de incertidumbre

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