Werner K. Heisenberg - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Werner K. Heisenberg


Sus dos grandes pasiones, la física atómica y Alemania

Alemania inició el siglo XX manteniendo la gran expansión industrial iniciada en la época del canciller Bismark. En el año 1900 la producción industrial alemana superaba a la de sus países vecinos y el imperialismo militarista soñaba con una Europa unida bajo su influencia. En este mismo año, el físico alemán Max Planck elaboraba la hipótesis cuántica que marcaría la evolución de la física del nuevo siglo. En 1901, un joven y desconocido físico alemán llamado Albert Einstein encontraba consuelo en la música, mientras esperaba conseguir una modesta posición de profesor auxiliar. El 2 de diciembre del mismo año se producía una vacante en la oficina de patentes de Berna, como ingeniero de segunda. Einstein conseguiría esta plaza desde la cual elaboraría su teoría de la relatividad. El 5 de diciembre del mismo año, en la ciudad alemana de Würzburg, en casa del Dr. August Heisenberg, profesor de filología griega, nacía el segundo hijo de su matrimonio con Anna Wecklein, llamado Werner Karl.

La vida del joven Werner Karl Heisenberg estaría profundamente marcada por los acontecimientos que acabamos de detallar, que se traducirían en su pasión por la nueva física -a la que dedicaría toda su vida- y su amor a Alemania -que le llevaría a enfrontarse con sus colegas de profesión, en una decisión que marcaría una inflexión en su vida durante la segunda guerra mundial.

El 1911 Heisenberg empezó sus estudios en el Maximilian Gymnasium de Munich. En esta escuela se preparaba a los alumnos para sus futuros estudios universitarios. Los principales temas de estudio eran las lenguas clásicas, latín y griego, en los que Heisenberg obtuvo las más altas calificaciones. Esta preparación humanística se reflejó, más adelante, en su forma de abordar los problemas físicos y su preocupación por las implicaciones filosóficas de la nueva mecánica cuántica. Al mismo tiempo estudió música, piano clásico, afición que mantuvo a lo largo de toda su vida. Precisamente, Heisenberg conoció a Elisabeth Shumacher en el año 1937 en Leipzig, durante una velada de música de cámara. Werner interpretaba el trío para piano en sol mayor de Beethoven y Elisabeth asistía como espectadora, formando parte de un selecto grupo de invitados en casa del editor Bücking. Elisabeth era hija del profesor de economía política de la Universidad de Bonn Hermann Shumacher. Tres meses después se casaban en Berlín. Heisenberg tenia 35 años y su esposa 22.

El colapso de Alemana después de la derrota en la primera guerra mundial impulsó la tradición romántica alemana. Se propugnaba un retorno a la Naturaleza como medio de recuperar la esencia de la cultura alemana. Heisenberg lideró un grupo juvenil asociado a los Boy Scouts denominado Bund Deuscher Neupfadfinder. Este grupo de adolescentes potenciaba las salidas al aire libre, especialmente a la montaña, al tiempo que prohibía el fumar y beber. Este espíritu romántico marcó definitivamente su personalidad y permite comprender muchas de sus actuaciones posteriores.

Durante sus estudios en la Universidad de Munich, Heisenberg se decantó decididamente por la física, sin renunciar a su interés por la matemática pura. En aquellos momentos, no obstante, la física se consideraba esencialmente una ciencia experimental y la falta de habilidad de Heisenberg para los trabajos de laboratorio complicarían el proceso de su doctorado. Arnold Sommerfeld, su director de tesis, reconocía sus extraordinarias capacidades para la física matemática pero había una cierta oposición a su graduación por causa de su inexperiencia en física experimental. Finalmente, Heisenberg se doctoró en 1923, presentando un trabajo sobre turbulencia de los fluidos. En estos años de doctorado conoció a Wolfgang Pauli, con quien colaboraría estrechamente en el desarrollo de la mecánica cuántica.

De Munich, Heisenberg pasó a la universidad de Göttingen, en donde enseñaba Max Born y en 1924 pasó al Instituto de Física Teórica de Copenhagen dirigido por Niels Bohr. Allí Heisenberg conoció entre otros prominentes físicos a Albert Einsten e inició su período más fecundo y original, que dio como resultado la creación de la mecánica de matrices. Este logro se vería reconocido con la consecución del premio Nobel de física del año 1932.

En 1936 la física teórica en general, y Heisenberg en particular, empezaron a ser atacados por la prensa Nazi, que calificaba a la relatividad y a la mecánica cuántica como ciencia judía. Gracias a la mediación de su familia ante Himler, el 21 de julio del 1938 Heisenberg fue exonerado de todos los cargos apuntados por las SS. En estos momentos Heisenberg tuvo que afrontar una difícil decisión. La guerra se veía inminente. Muchos físicos alemanes de origen judío se veían desposeídos de sus posiciones académicas y optaban por la emigración. En julio de 1939 Heisenberg viajó a los Estados Unidos, en donde se le persuadiría para que se quedase allí. Heisenberg, no obstante, decidió regresar en Alemania. El 1 de septiembre empezó la guerra y el 26 del mismo mes se unía al grupo que trabajaba en un proyecto de fisión nuclear en Berlín.

Recordemos que la fisión del núcleo atómico había sido descubierta experimentalmente pocos años antes, concretamente en el año 1932, por parte de Otto Hahn y Fritz Strassmann e interpretada teóricamente por parte de Lise Meitner y Otto Frish. Era, por tanto, un descubrimiento alemán. La publicación de estos resultados tuvo lugar durante el mes de febrero del 1939, poco antes de la visita de Heisenberg a los Estados Unidos. El 2 de agosto del mismo año Einstein, ya asilado en los Estados Unidos, firmaba la carta alertando al Presidente Roosevelt de la posibilidad de que en Alemania se procediera a la construcción de un arma nuclear. El 6 de diciembre del 1939 Heisenberg enviaba un primer informe al ejército alemán sobre las posibilidades de la aplicación de la energía nuclear.

Durante los años de conflicto bélico Heisenberg, sin abandonar la física teórica, dirigió el grupo de trabajo sobre energía nuclear. Fueron unos años difíciles en donde el interés por la ciencia, el patriotismo germánico y la necesidad de sobrevivir bajo el régimen nacional socialista debieron mantenerse bajo un difícil equilibrio. Heisenberg no estaba afiliado al partido Nazi, pero sus viajes a los países ocupados por Alemania no fueron bien vistos por sus colegas de los países aliados. En septiembre del 1941 Heisenberg visitó a Niels Bohr en Copenhagen. Esta entrevista representa uno de los momentos más enigmáticos de la actuación pública de Heisenberg durante los años de conflicto. Los recuerdos de la misma son muy distintos de una parte y de otra. Es definitivo, no obstante, que Bohr restó profundamente alarmado por los comentarios de Heisenberg sobre los progresos alemanes en la energía nuclear. Cuando poco tiempo después Bohr emigró a los Estados Unidos, estaba plenamente convencido de que los alemanes preparaban un arma nuclear y apoyó decididamente el proyecto atómico americano.

En mayo de 1940 las tropas alemanas ocuparon Noruega y se apoderaron de la planta de producción de agua pesada de Vemork. Durante 1941 prosiguieron los trabajos experimentales sobre la fisión, tanto en Alemania como en los Estados Unidos. En febrero de 1942, Heisenberg, Hahn y otros físicos presentaron una serie de lecturas sobre física nuclear en la sede del ministerio de educación del Reich en Berlín. En julio del mismo año, se inicia la construcción de un reactor nuclear en Berlín. Un año después, las instalaciones de Berlín deben trasladarse a un lugar más seguro por causa de los masivos bombardeos aliados. Se decide continuar las investigaciones en Baviera, fuera del alcance de los ataques aéreos. Se opta por la pequeña localidad de Haigerloch. Finalmente, el 23 de abril del 1945 las tropas americanas del grupo ALSOS ocupan las instalaciones experimentales y capturan a los científicos involucrados en la investigación nuclear.

Durante medio año, Heisenberg y otros científicos relacionados con el proyecto nuclear alemán fueron confinados en Farm Hall, un edificio en la ciudad británica Godmanchester, cerca de Cambridge, estrechamente vigilados -y espiados- por los servicios de inteligencia militar aliados. Sus conversaciones fueron grabadas y puntualmente comunicadas al general Groves, director del proyecto Manhattan. Fue durante esta reclusión que Heisenberg y Hahn conocieron la noticia de la explosión de las bombas de Hiroshima y Nagasaki.

Después de la guerra, Heisenberg se ocupó de la reconstrucción de la ciencia alemana. Fue nombrado director del instituto de física Kaiser Wilhem, más tarde denominado instituto Max Planck, y presidente del consejo alemán para la investigación. Continuó, también, sus trabajos de física y propuso una teoría unificada para las partículas elementales. En la década de los años 50 encabezó la delegación alemana que inició la fundación del CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire -más tarde denominado Organisation Européene pour la Recherche Nucléaire- con sede en Ginebra, que ha sido uno de los centros más importantes en el progreso de la física de altas energías.

Heisenberg murió el 1 de febrero de 1976 en su casa de Munich.

La biografía de Heisenberg más completa escrita hasta este momento es la que bajo el título de "Uncertainty, the life and science of Werner Heisenberg" publicó en 1992 David C. Cassidy (W. H. Freeman and Company, New York). No obstante, es muy recomendable la lectura de las memorias autobiográficas del propio Heisenberg tituladas "DER TEIL UND DAS GANZE. Gespräche im Umfreis der Atomphysik", publicadas por R. Piper & Co. Verlag, München 1969 de las que existe una versión castellana titulada "Diálogos sobre la Física Atómica", publicada por B.A.C. (1972).

La creación de la Mecánica Cuántica

En la primavera de 1924 Werner Heisenberg embarcó en Warnemünde, dirección a Dinamarca. Según sus propias palabras, los primeros días en le Instituto de Bohr no resultaron fáciles: "me vi de repente ante un gran número de jóvenes, espléndidamente dotados, de todos los países del mundo, que me superaban con mucho en el dominio de las lenguas y en la habilidad cosmopolita y que en nuestra ciencia poseían un conocimiento mucho más profundo que el mío". No obstante, Bohr se fijó en este joven alemán y se iniciaría una relación que pronto iba a resultar muy fructífera.

En 1924 se apreciaban ya las dificultades del modelo atómico de Bohr y las limitaciones de la que ahora conocemos como vieja teoría cuántica. Se intuía la necesidad de construir un nuevo marco teórico, con el que reemplazar las reglas de cuantificación. "En la física atómica habíamos llegado claramente en el invierno de 1924 a 1925 a esa zona en la que la niebla es todavía con frecuencia impenetrablemente densa, pero en la que, por así decirlo, se adivinaban ya los claros sobre nosotros".

Convencido de que las limitaciones del modelo de Bohr procedían del hecho de basarse en la existencia de unas órbitas electrónicas definidas, que no era posible observar, cuando lo que realmente se medía era solamente la diferencia de energía entre ellas -en forma del de luz emitido en una transición de una órbita a otra- "vi con claridad creciente que en una física semejante, en lugar de las condiciones cuánticas de Bohr y Sommerfeld, debían jugar su papel solamente las magnitudes observables." Si el modelo de Bohr era una imagen semiclásica y muy intuitiva, la nueva formulación de Heisenberg, al prescindir de esta imagen, se convertía en una formulación esencialmente matemática. Si por una parte no le disgustaba -recordemos su interés inicial por la matemática- por otra le alarmaba haber de trabajar con unas técnicas matemáticas sobre las que no tenía experiencia previa. Fue Max Born quien poco después se apercibió de que los cálculos de Heisenberg se podían expresar en términos de matrices, y de aquí el nombre de mecánica de matrices a la versión de Heisenberg de la mecánica cuántica.

El proceso creativo de la mecánica de matrices tiene un aire romántico muy al gusto de Heisenberg. Según su propia autobiografía, en mayo de 1925 se puso enfermo y pidió una excedencia de su trabajo en el instituto Bohr. Se marchó a la isla de Helgoland, donde alquiló una habitación en una casa con vistas al mar. Allí, entre paseos y excursiones, tenia el tiempo necesario para concentrarse en su trabajo. Una vez obtenida la solución, para convencerse de la viabilidad de los nuevos métodos quiso comprobar si la formulación era compatible con el principio de conservación de la energía: "...eran las tres de la madrugada cuando el resultado definitivo del cálculo estuvo completo ante mis ojos. La vigencia del principio de conservación de la energía se había demostrado en todos los términos [...] Tenía el presentimiento de que a través de la superficie de los fenómenos atómicos miraba hacia un fondo subyacente de belleza interior fascinante, y casi perdí el sentido al pensar que ahora tenía que ir tras esta multitud de estructuras matemáticas que la naturaleza había abierto ante mí". Heisenberg acabó la noche de su principal descubrimiento esperando la salida del Sol desde lo alto de una roca solitaria que penetraba en el mar.

A partir de este momento, el desarrollo de la mecánica de matrices fue un proceso imparable que involucró nombres como los de Pascual Jordan, Max Born o Wolfgang Pauli, introduciéndose en la teoría conceptos como los del espín del electrón y el principio de exclusión. Como resultado se confeccionó un cuerpo doctrinal que podía dar cuenta de muchas de las características de los fenómenos atómicos, mucho más allá que el modelo de Bohr. El precio a pagar era mucho mayor, no obstante, que la mera pérdida de la intuición semiclásica de Bohr. La nueva mecánica cuántica llevaba inexorablemente a cambiar los cimientos de la física en conceptos tan básicos como los de causalidad o medida, y quién más se opondría a tales cambios sería el propio Albert Einstein. Ya en una conversación con Heisenberg en 1926 Einstein le objetó el hecho de basarse únicamente en cantidades observables. Pero la nueva teoría seguía adelante y al año siguiente, 1927, Heisenberg formulaba lo que se conoce como principio de incertidumbre. No se trata en realidad de un principio en el sentido de un postulado de la teoría, sino que de unas relaciones de incertidumbre entre distintas magnitudes físicas -técnicamente, magnitudes conjugadas- que se pueden deducir de la misma teoría, pero que sus implicaciones son tan profundas que merecen este calificativo. Básicamente, en lenguaje cotidiano, podemos expresar el principio de incertidumbre diciendo que cuanto mejor conozcamos donde se encuentra localizado un electrón, tanto menos podremos conocer la velocidad que posee en aquel momento, no siendo este hecho imputable a dificultades técnicas del proceso de medida, sino a la naturaleza misma del electrón.

El punto álgido en las discusiones entorno a la nueva mecánica cuántica se produjo en otoño de 1927 en dos célebres reuniones, la asamblea de físicos de Como y el congreso Solvay de Bruselas. Los momentos más interesantes no tuvieron lugar en la sala de conferencias, sino durante las comidas en el Hotel. Bohr y Einstein llevaron el peso de las discusiones sobre la interpretación de la mecánica cuántica. A Einstein no le satisfacían las relaciones de indeterminación, y constantemente planteaba situaciones experimentales imaginarias en donde poner a prueba la teoría. Al día siguiente, Bohr traía una solución al problema planteado por Einstein. "Dios no juega a los dados", decía Einstein, a lo que replicaba Bohr, "no es ni puede ser tarea nuestra ordenar a Dios cómo debe Él regir el mundo".

Entre los físicos a los que la formulación de la mecánica de matrices de Heisenberg no les convencía se encontraba Erwin Schrödinger, quién opinaba "Sabía de esta teoría, desde luego, pero me sentía descorazonado, por no decir repelido, por los métodos del álgebra trascendente, que me parecían difíciles, y por su falta de visualización". Por estos mismos motivos, gran parte de la comunidad científica aceptó más fácilmente la formulación alternativa del propio Schrödinger, conocida como mecánica ondulatoria, aparecida en 1926. Su teoría se basaba en las relaciones de De Broglie, que asignaban propiedades ondulatorias a las partículas, de forma similar a las relaciones de Einstein que asignaban propiedades corpusculares a las ondas electromagnéticas. El paso decisivo de Schrödinger fue encontrar una ecuación de ondas para las partículas y de ella deducir el comportamiento del electrón del átomo de hidrógeno.

Por otra parte, Heisenberg comentaba a Pauli "cuanto más pienso en los aspectos físicos de la teoría de Schrödinger, más repulsiva la encuentro... Lo que escribe Schrödinger sobre la visualización de su teoría, probablemente no es del todo cierto, en otras palabras, es un disparate". Pronto, no obstante, se vio que las dos teorías, mecánica de matrices y mecánica ondulatoria no solamente daban los mismos resultados cuando se aplicaban a estudiar las líneas espectrales del átomo de hidrógeno, sino que en realidad no eran más que formulaciones matemáticas distintas de una misma teoría física. Paul Dirac presentó pronto una nueva formulación, basada en la matemática de las transformaciones, que John von Neumann reformuló, ya definitivamente, usando la teoría matemática de los espacios de Hilbert, teoría que conocemos por mecánica cuántica.

Heisenberg, en perspectiva

Werner Heisenberg es recordado hoy en día como uno de los creadores de la mecánica cuántica y, por tanto, como uno de los creadores de la física moderna. Como autor del principio de incertidumbre, el nombre de Heisenberg está asociado a uno de los conceptos más cruciales de la nueva física, el concepto de medida. En una conferencia fechada en 1969 Heisenberg resumía: "La descripción objetiva plena de la naturaleza en el sentido newtoniano, conforme a la cual se atribuyen determinados valores a las fuerzas determinantes del sistema, como lugar, velocidad, energía, tuvo que ser abandonada y sustituida por la descripción de las situaciones de observación, en las que sólo pueden darse probabilidades para ciertos resultados".

Heisenberg es recordado también por sus trabajos en física nuclear y de partículas. Efectivamente, después de la guerra, reanudó sus estudios sobre la física de partículas elementales. En 1932 había publicado ya un primer artículo acerca del modelo del núcleo atómico compuesto por protones y neutrones -los nucleones y la simetría de isospín. No obstante, los avances experimentales en el estudio de los componentes del núcleo que llevaron al descubrimiento e identificación de centenares de partículas elementales, plantearon un escenario que sobrepasó sus intentos de realizar una teoría unificada de la física de partículas.

El nombre de Heisenberg, por otra parte, está asociado también al del proyecto atómico alemán y mantiene abierta una polémica entorno a las implicaciones sociales y políticas del trabajo científico. Distintos autores vienen manteniendo una larga controversia acerca del papel real jugado por Heisenberg durante la segunda guerra mundial. Así, Thomas Powers en "Heisenberg's War. The Secret History of the German Bomb" publicado en 1993 por la editorial Little, Brown and Company, (Boston) mantiene que Heisenberg, debido a razones morales, no solamente retrasó deliberadamente sino que realmente abortó el proyecto nuclear militar alemán. Una visión mucho más matizada sobre la actuación de Heisenberg se plasma en la obra de Mark Walker "Nazi Science, Mith, Truth, and the German Atomic Bomb", publicada en 1995 por la editorial Plenum Press (New York). En ella podemos leer "Si personas decentes, morales, como Otto Hahn, Werner Heisenberg, Max Planck, Max von Laue, and Carl Friedrich von Weizsäker permanecieron en Alemania y trabajaron dentro del sistema Nacional Socialista, entonces [...] ellos deben haber activamente o pasivamente resistido Adorf Hitler. Pero la imagen popular en blanco y negro del Tercer Reich como un lugar donde fue fácil mostrase correcto o equivocado, lleno de villanos y de héroes, es una simple caricatura".

Se encuentra también publicada información de primera mano sobre distintos episodios de aquella época. Concretamente, el físico Samuel A Goudsmit, que dirigió el grupo americano que durante la invasión de Europa apresó a Heisenberg y a los demás científicos nucleares alemanes escribió el libro titulado "ALSOS". Fue editado por primera vez en 1947 y ha sido reeditado después por el American Institute of Physics. En adición, coincidiendo con el levantamiento del secreto militar de parte de la documentación correspondiente al desarrollo de la energía nuclear, Jeremy Bernstein ha publicado recientemente el libro "Hitler's Uranium Club, The Secret Recordings at Farm Hall", (American Institute of Physics, 1996) en el que transcribe y comenta parte de las grabaciones realizadas en Farm Hall, de las que deduce la incapacidad técnica alemana para llevar a cabo el proyecto nuclear y pone en evidencia cómo se pusieron de acuerdo los físicos allí recluidos para explicar una misma versión sobre su trabajo durante los años de guerra.

 
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