El 1 de febrero de este año se cumplen 50 años de la muerte de una de las figuras más emblemáticas de la ciencia del siglo XX: el físico Werner Heisenberg. Vivió durante los primeros tres cuartos de este siglo, de 1901 a 1976, y fue uno de los principales iniciadores de la física cuántica.
Para el gran público, el nombre de Heisenberg suele estar identificado con el principio de indeterminación o incertidumbre, pero su trayectoria y legado científico abarcan más aspectos de la física relacionados con la física cuántica e influyen en muchos otros descubrimientos y aplicaciones posteriores.
Con los grandes de la ciencia
Heisenberg nació en Würzburg (Baviera, Alemania) en 1901, pero transcurrió su infancia y adolescencia en Múnich. Su vida la pasó en diferentes ciudades de su país de origen (Múnich, Gotinga, Leipzig y Berlín), aunque también realizó alguna estancia en Copenhague. Formó parte desde muy joven de una asociación de exploradores y era un apasionado de la música clásica, especialmente del piano. Transmitió a sus siete hijos esta pasión por la música, que compartió con su mujer, y también su afición a las salidas a la montaña.
Desde muy joven tuvo un gran talento para las matemáticas, junto con una intuición física brillante. El patriotismo formó parte de sus convicciones desde su adolescencia, y también estaba convencido, como cristiano luterano, de que la ciencia y la fe no podían entrar en contradicción. Profesionalmente se imbuyó en un ambiente científico sobresaliente, tanto por los profesores con los que se formó o colaboró (Sommerfeld, Planck, Bohr, Born) como por los compañeros con los que compartió sus investigaciones (Pauli, Hahn, Weizsäcker), así como otros investigadores con los que debatió los fundamentos de la mecánica cuántica (Schrödinger, Einstein, De Broglie, Dirac). Gran parte de este plantel de científicos despuntaron en sus investigaciones y unos cuantos recibieron el Premio Nobel.
Primeros avances científicos
Se considera el año 1900 como el inicio de la física cuántica, debido a que fue ese año cuando Max Planck propuso que un cuerpo negro emite o absorbe energía en unidades discretas llamadas cuantos. Así que Heisenbeg creció ya en el contexto científico del nacimiento de esta teoría y en el país donde surgió.
Inicialmente, la idea de Heisenberg era desarrollar su carrera universitaria hasta llegar a ser catedrático en el área de matemáticas, pero finalmente comenzó los estudios de física en 1920 y logró unos años después el doctorado estando a cargo del profesor Arnold Sommerfeld, con el que realizó sus primeros avances en aspectos relacionados con la física cuántica.
Heisenberg mantuvo una relación asidua con su colega danés Niels Bohr, con el que tenía discusiones de física y filosofía
Con Niels Bohr tuvo un trato especialmente cercano, a partir de un encuentro con él en Gotinga (Alemania) en 1922, invitados ambos por Max Born. En ese encuentro Bohr se dio cuenta de la valía y de la intuición física de Heisenberg. Los comentarios filosóficos que Bohr hacía con frecuencia en torno a cuestiones físicas novedosas enganchaban fácilmente a Heisenberg. A partir de entonces ambos mantendrían una relación con frecuentes encuentros, e incluso sería invitado varias veces a la casa de Bohr en Copenhague para debatir sobre física teórica y filosofía.
La relación de Heisenberg con el nazismo
La estancia más conocida es la que realizó en 1941, en plena guerra mundial, en la Copenhague ocupada por los nazis, y sobre la que se hizo posteriormente una obra de teatro y más adelante una película llamada Copenhague. En ella se analiza la crispación que pudo haber entre ambos por la participación de Heisenberg en el desarrollo del programa nuclear nazi para obtener una bomba atómica. Pero él, por amor a su patria, prefirió seguir sirviendo a Alemania a pesar de que fuera gobernada por el nazismo. Incluso los jerarcas de entonces confiaron en él para desarrollar la bomba atómica, aunque posteriormente el gobierno nazi decidió emplear los recursos en otros objetivos armamentísticos.
La formulación matricial de la mecánica cuántica
A finales de octubre de 1922 Heisenberg se trasladó a Gotinga para obtener su habilitación invitado por Born, que le apreciaba mucho, tanto a su persona como sus trabajos. Durante estos años en Gotinga Heisenberg aprovecha para realizar algunas visitas a Bohr en su Instituto de Física Teórica de Copenhague. En esta época, entre idas y venidas de Gotinga a Copenhague, Heisenberg realiza la mayor contribución de su vida a la física cuántica, la que le valió el Premio Nobel de Física en 1932: el establecimiento de la mecánica matricial, junto con Max Born y Pascual Jordan. Se trata de reinterpretar cualquier variable o función de la mecánica clásica como una matriz cuántica, y a partir de las correspondientes expresiones matriciales obtener las energías de los estados estacionarios y los saltos cuánticos entre estos estados.
Esta mecánica matricial no fue bien acogida por un buen grupo de físicos por perder, según ellos, el sentido físico de la realidad y ser demasiado abstracta. Frente a esta manera de entender la física cuántica, en breve llegaría otra, para alivio de muchos, basada en la función de onda de Schrödinger del átomo de hidrógeno, llamada la formulación ondulatoria o mecánica ondulatoria. Para la mecánica matricial, el electrón es una partícula y para la mecánica ondulatoria es una onda.
Posteriormente la equivalencia matemática entre estas dos formulaciones fue establecida, de manera que ambas pueden considerarse acertadas para describir las leyes de la física cuántica. Sin embargo, Heisenberg siempre consideraría la formulación de Schrödinger un intento de volver a una interpretación clásica de la teoría ondulatoria, a pesar de que en esta ecuación de ondas se introducía la probabilidad de onda como algo esencial para describir la dinámica de la partícula.
El principio de indeterminación
Los años 1926-27 también fueron claves en la vida de Heisenberg. Fue entonces cuando se trasladó a Copenhague por un año como ayudante de Bohr. Ambos científicos mantuvieron muchas discusiones sobre la interpretación de la mecánica cuántica, de manera particular sobre la dualidad onda-corpúsculo. Según Heisenberg, para explicar los fenómenos físicos de objetos comprendidos en una escala atómica, como los electrones, es necesaria una nueva mecánica que considere las discontinuidades y los cuantos de energía, ya observados. Además, en este mundo microscópico, cuando pretendemos medir una variable como la posición o la velocidad de una partícula debemos tener en cuenta el procedimiento utilizado, porque va a interferir en esa medida.
Así, tras varios cálculos, llegó a la conclusión de que al medir la posición y el momento, el producto de la precisión o intervalo de error de ambas medidas es del orden de la constante de Planck. Es decir, que cuanto menor sea el error de una de las medidas, mayor será el de la otra. La precisión de ambas medidas complementarias está limitada, ya que cuanto más precisa sea la determinación de la posición con más imprecisión se medirá el momento, y viceversa. Lo mismo se aplica a otros pares de magnitudes conjugadas, como la energía y el tiempo, o el momento angular y el ángulo. Esto es lo que se define como el principio de incertidumbre o indeterminación de Heisenberg, que forma parte de uno de los fundamentos de la física cuántica.
La interpretación de Copenhague
Una de las explicaciones vinculadas a la teoría cuántica es la que realizó Bohr y en la que Heisenberg colaboró. Es la llamada interpretación de Copenhague. Esta interpretación se centra en tres aspectos: el principio de complementariedad, la interpretación probabilística de la función de ondas y el principio de indeterminación de Heisenberg.
Muchas de las aplicaciones tecnológicas de la física cuántica proceden directa o indirectamente de las investigaciones realizadas por Heisenberg
El principio de complementariedad se refiere a que los conceptos de onda y partícula para definir la luz, por ejemplo, no son excluyentes en la mecánica cuántica. Quiere esto decir que dependiendo del dispositivo experimental con el que se observe la luz, ésta se comportará como onda o como partícula, lo que no ocurre en la física clásica. El principio no se refiere únicamente a la luz, sino en general a cualquier fenómeno cuántico que muestre propiedades duales (ondulatorias y corpusculares) que son complementarias pero excluyentes en una misma medición. Heisenberg explicaba esto mismo a partir de la función de onda del átomo de hidrógeno. Esta función describe la posición del electrón como una función de probabilidad (las posibles posiciones en las que puede estar la partícula tienen diferentes probabilidades), pero cuando se utiliza un instrumento para medir su posición exacta esta función colapsa en un lugar determinado, mostrándose entonces el electrón como partícula en esa posición. Éste es el segundo de los aspectos mencionados de la interpretación de Copenhague. El tercero (el principio de indeterminación) ya ha sido tratado líneas arriba.
Aportaciones en otros campos de la física
Heisenberg realizó relevantes contribuciones en otros campos de la física como la física nuclear, la electrodinámica cuántica, la teoría de campos, la hidrodinámica, el magnetismo, etc. De hecho, muchas de las aplicaciones tecnológicas de la física cuántica –algunas de ellas muy actuales– proceden de manera directa o indirecta de las investigaciones realizadas por él: la tecnología de semiconductores, los láseres, las técnicas de imagen empleadas en diagnóstico médico, los paneles solares, los sensores de alta precisión… Y más recientemente también la computación cuántica.
Los años posteriores a la guerra supusieron para Heisenberg una ocasión de contribuir a la reconstrucción de la ciencia en su propio país. Se le hicieron ofertas de investigar en otros países, pero una vez más su sentido del deber para con su patria hizo que prefiriera dedicarse a escribir, divulgar, impartir conferencias, e implicarse en la política científica alemana. A este respecto fue nombrado director del Instituto Max Planck de Física y Astrofísica en Gotinga. También formó parte como representante alemán de los inicios del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear). En sus debates y charlas abordaba con frecuencia temas filosóficos derivados de la interpretación de la física cuántica, y fruto de esas reflexiones surgieron algunos libros como Física y Filosofía.