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FilosofíaFísicaBiografía

Heisenberg, Werner Karl (1901-1976).

Werner Heisenberg.

Físico y filósofo alemán nacido en Würzburg (Würzburgo, en el estado federal de Baviera) el 5 de diciembre de 1901 y fallecido en München (Munich, Baviera) el 1 de febrero de 1976. Autor de una de las formulaciones básicas de la Mecánica cuántica, así como de uno de los principios fundamentales en la Ciencia contemporánea (el de incertidumbre o indeterminación), fue galardonado en 1932 con el Premio Nobel de Física, "por la creación de la Mecánica cuántica, cuya aplicación ha llevado, entre otras cosas, al descubrimiento de las formas alotrópicas del hidrógeno". Además de revolucionar profundamente la Ciencia de su tiempo, sus teorías ejercieron una poderosa influencia en el pensamiento filosófico occidental del siglo XX.

Vino al mundo en el seno de una familia en la que dominaba una densa atmósfera intelectual, formada por August Heisenberg -profesor de lenguas clásicas que, poco antes del nacimiento del futuro premio Nobel, había obtenido una plaza docente en la Universidad de Würzburg-, y Anna Wecklein, hija del director de uno de los centros de enseñanza media más prestigiosos de Alemania (el Maximilian Gymnasium de München).

Cursó sus primeros estudios, a partir de 1906, en una escuela pública de su localidad natal, que abandonó en 1910 para afincarse en Múnich, ciudad en cuya universidad su progenitor había sido contratado como profesor de griego. El pequeño Werner Karl completó sus estudios primarios en el colegio muniqués Elisabethenschule, para pasar, a partir de 1911, a realizar su formación secundaria en el instituto que dirigía su abuelo materno.

Permaneció en el Maximilian Gymnasium de München hasta 1914, fecha en la que, con motivo del estallido de la I Guerra Mundial (1914-1919), las dependencias de este centro de estudios quedaron ocupadas por efectivos militares. Al ver su instituto convertido en un cuartel, el joven Heisenberg decidió continuar estudiando por su cuenta, especialmente aquellas asignaturas (como las Matemáticas, la Física y la Filosofía) que más le atraían. Sin embargo, no se desentendió de los problemas que le causaba a su nación el verse implicada en una terrible confrontación bélica, y colaboró, en la medida de sus posibilidades, con una organización paramilitar que, en las mismas instalaciones del Maximilian Gymnasium, se dedicaba a formar a los jóvenes soldados destinados a incorporarse a la lucha armada (su propio padre, abandonando sus labores docentes, se había sumado al frente de batalla en 1914).

Cada vez más consciente de las dificultades por las que atravesaba su patria, Heisenberg también colaboró, durante la guerra, en las faenas agrícolas de una granja en la que se contaba con el trabajo de jóvenes voluntarios para producir los alimentos básicos que tanto necesitaba el país. Corría, a la sazón, el año de 1918, gran parte del cual lo pasó el todavía estudiante en una explotación agrícola de la Alta Baviera, lejos del hogar familiar, de sus amigos y de cualquier referente inmediato de lo que, hasta entonces, había venido siendo su vida cotidiana; para sobrellevar las largas horas de trabajo y la mala alimentación, en sus escasos ratos de ocio intentaba evadirse por medio del estudio, poniendo toda su atención en la teoría de los números y consagrando muchas horas a la búsqueda de una solución satisfactoria para el último teorema de Fermat.

En 1918, con la guerra ya prácticamente concluida, el joven Werner Karl regresó a Múnich y, casi como si de un juego se tratase, colaboró, a sus diecisiete años de edad, con la eliminación de los grupos comunistas que quedaban en Baviera. En el seno de la liga bávara conocida como Bund Deuscher Neupfadfinder, fundó y capitaneó, entre los alumnos del Maximilian Gymnasium, una facción juvenil de espíritu romántico y aventurero, en la que, junto a la delación de células comunistas, se llevaban a cabo otras prácticas meramente deportivas, como el montañismo, el senderismo y cualquier otra actividad que permitiera llevar una vida sana (entre sus miembros estaba prohibido, por ejemplo, el consumo de tabaco y bebidas alcohólicas). Algunas asociaciones de este tipo habrían de convertirse, años después, en el semilleros propicios para el florecimiento, entre la población adolescente, de una ideología nacionalsocialista de la que no participaba, en modo alguno, el joven Heisenberg por aquellos años postreros de la I Guerra Mundial.

Por aquel tiempo, una gravísima enfermedad estuvo a punto de truncar su vida. Durante una de las frecuentes excursiones campestres que solía realizar con su agrupación juvenil, se vio forzado a pernoctar en un castillo que, poco tiempo atrás, había hecho las veces de hospital militar. Allí, rodeado de condiciones higiénicas deplorables, contrajo el tifus, dolencia que le afectó seriamente debido a las dificultades que, en plena posguerra, encontraron sus familiares para proporcionarle los alimentos y remedios medicinales más adecuados. Sin embargo, Werner Karl Heisenberg logró restablecerse merced a su vigoroso estado de salud, y al poco tiempo obtenía su título de bachiller tras haber superado con brillantez los exámenes que le pusieron en el Maximilian Gymnasium.

Se había convertido, entretanto, en uno de los dos ex-alumnos de dicho centro que optaban a una beca de la prestigiosa Fundación Maximilianeum, institución que ofrecía, en todo el territorio alemán, once ayudas para ingresar en la universidad. Una de ellas permitió al joven Heisenberg matricularse en la Universidad de Múnich en 1920, tras haberse repuesto del tifus, y después de haber aprovechado la larga convalecencia veraniega para ampliar sus conocimientos de Matemáticas puras, con especial atención al análisis de la teoría de los números -materia sobre la que pensaba redactar su tesis doctoral-, a la luz de los trabajos de Hermann Weyl (1885-1955) y Paul Bachmann (1837-1920).

En un principio, el joven Heisenberg pretendió que el brillante profesor Ferdinand von Lindemann, colega y amigo de su padre, fuese el encargado de dirigir sus estudios e investigaciones; pero éste, después de animarle a que continuase indagando en la teoría de los números -materia en la que Heisenberg habría de llegar a ser una autoridad mundial-, le confesó que estaba a punto de retirarse, por lo que le recomendó que se buscase otro director de estudios. Fue así como entró en contacto con el célebre físico de Königsberg Arnold Sommerfeld (1868-1951), quien habría de influir decisivamente en la definitiva orientación de Heisenberg hacia la Física teórica.

Poco a poco, Heisenberg fue introduciéndose en el mundo de la Física, en menoscabo de la atención que hasta entonces había venido prestando a las Matemáticas. Además de la influencia directa de su maestro Sommerfeld, en esta última orientación de sus objetivos intelectuales tuvo un papel destacado el ejemplo de un nuevo amigo y compañero de estudios de Heisenberg, el austríaco Wolfgan Pauli (1900-1958), cuyos avances en dicha materia habría de hacerle merecedor del Premio Nobel en 1945. Pauli, que sólo contaba un año más que Heisenberg y trabajaba, a la sazón, en un proyecto sobre la Teoría de la Relatividad, aconsejó a éste que estudiase a fondo la estructura del átomo, materia que no estaba bien definida en las clases de Física experimental a la que asistían ambos estudiantes.

Con ánimo de ampliar sus conocimientos, pero también con el deseo de alejarse un poco de sus compañeros del movimiento juvenil al que pertenecía desde hacía varios años, Werner Karl Heisenberg, se desplazó, en el verano de 1922, a la Universidad de Göttingen, convertida a la sazón en uno de los grandes foros de la Física mundial, merced a los descubrimientos de uno de sus profesores más brillantes, el danés Niels Bohr (1885-1962). Heisenberg asistió, fascinado, a los cursos y conferencias en los que este genio de la Física teórica reveló su particular concepción de la estructura del átomo, que en buena parte venía a corregir, apoyándose en nuevas aportaciones de la Física cuántica, el modelo descrito por Rutherford (1871-1937).

A su regreso a Múnich, Sommerfeld le encomendó una ardua tarea, con el propósito de mantenerle ocupado durante un largo viaje de trabajo que él había de realizar por los Estados Unidos de América entre 1922 y 1923. Se trataba de abordar un complicado problema de hidrodinámica que el joven Heisenberg resolvió mucho antes del retorno de su director de estudios, con tiempo de sobra para presentar el resultado de sus conclusiones en una conferencia que dictó en Innsbruck, y para acudir de nuevo a la Universidad de Göttingen mientras Sommerfeld aún andaba por tierras americanas. En dicho centro superior, Heisenberg volvió a enfrascarse en el estudio de la teoría atómica, ahora bajo la tutela de Max Born (1882-1870), con quien dio un impulso decisivo al desarrollo de la Mecánica cuántica.

De vuelta, una vez, a la Universidad de Múnich, siguió desplegando una intensa actividad de estudio e investigación que le permitió doctorarse el 1923, con una tesis que versaba sobre la turbulencia de los fluidos. Pocos meses después, emprendió un largo viaje por Europa que le llevó primero a Finlandia y luego a Göttingen, en cuya prestigiosa universidad ejerció durante algún tiempo la docencia, en calidad de ayudante de su antiguo profesor Born. Pasó, a continuación, a Dinamarca, para visitar con detenimiento el no menos reputado Instituto de Física Teórica de Copenhague, fundado y dirigido por Niel Bohr.

Después de haber contactado, en dicho centro, con Albert Einstein (1879-1955), el joven físico alemán regresó a su querida Universidad de Göttingen, donde, a mediados de 1924, obtuvo la titulación que le facultaba para ejercer la docencia en cualquier centro de estudios superiores de su país natal. Sin embargo, prefirió seguir durante algún tiempo ampliando sus conocimientos y sus horizontes vitales en el extranjero, por lo que, en septiembre de aquel mismo año, regresó a Copenhague para volver a colaborar estrechamente con Bohr, merced a una beca que le concedió la Fundación Rockefeller.

En la Universidad de Copenhague, Heisenberg analizó a fondo el sencillo modelo de átomo propuesto por Niels Bohr y halló que, a pesar de que los cálculos del genial físico danés eran irreprochables, su teoría atómica podía ser tachada de deficiente o, cuando menos, incompleta, ya que permitía definir a la perfección la estructura del átomo de hidrógeno, pero era incapaz de explicar los espectros y comportamientos de otros elementos de mayor complejidad (por ejemplo, los de cualquier átomo con más de un electrón). Convencido, pues, de que era necesario y urgente dar una nueva formulación, mucho más amplia y exacta, a la teoría cuántica de Bohr, regresó a Göttingen en el verano de 1925 y, bajo el magisterio de Max Born, emprendió, en colaboración con un alumno aventajado llamado Pascual Jordan, la ardua labor de establecer los fundamentos matemáticos que hicieran posible el conocimiento de la estructura y el comportamiento de los átomos.

El primer paso dado por el físico bávaro en este campo de trabajo fue desechar el concepto de órbita dentro de la estructura atómica, así como la idea de Bohr de que los electrones iban saltando alocadamente, de un lado a otro, entre dichas supuestas órbitas. Substituyó, pues, la imagen de órbita, propia de la astrofísica y la Ciencia newtoniana, por otra que juzgaba más adecuada a la microfísica y a la Física cuántica: la de estado del electrón; y estableció que el electrón, adoptando en cada caso diferentes estados, se desplazaba trazando unas líneas espectrales que podían ser representadas en un cuadro con forma de matriz, configurado por una trama de hileras y columnas que, en cierto modo, reproducía el esquema de los típicos cuadros sinópticos de distancias entre ciudades.

Así, cada una de las anotaciones realizadas en la matriz venía a indicar, con un símbolo específico, la intensidad y la frecuencia de la energía que, en forma de línea espectral, emitía o absorbía un electrón al pasar de un estado a otro (lo que, en el modelo insuficiente de Bohr, venía a ser el salto de órbita a órbita). La gran aportación de Heisenberg, sustentada en su envidiable formación matemática, consistía en el desarrollo de una técnica algebraica que hacía posible la multiplicación de matrices en las que se habían anotado conceptos distintos, como la energía del electrón o su impulso; consiguió, calcular las propiedades espectrales de los átomos y disponer de un valioso instrumento para predecir las características de las líneas espectrales emitidas por los electrones de cualquier átomo en sus saltos o pasos de un estado a otro. Se trataba de un avance de incalculables beneficios, pues hasta entonces, con el modelo de Bohr, sólo se podían predecir los comportamientos orbitales de los átomos conformados por un solo electrón.

En 1926, después de haber dado a conocer la mecánica matricial que había desarrollado junto a Born y Jordan, Werner Karl Heisenberg volvió a visitar el Instituto de Física de Copenhague, donde, durante varios meses, ejerció de profesor de Física teórica y colaboró estrechamente con Niels Bohr (quien no tuvo reparos en admitir que su joven discípulo había mejorado notablemente su propuesta de modelo atómico). Regresó, al año siguiente, a Alemania, para ocupar la Cátedra de Física en la Universidad de Leipzig, puesto en el que se mantuvo durante casi tres lustros (1927-1941), y que sólo habría de abandonar para asumir la dirección del mundialmente célebre Instituto de Física Kaiser Wilhelm (Berlín).

A finales de la década de los años veinte, Heisenberg se dedicó a difundir sus teorías por todo el mundo. Para ello, publicó Los principios físicos de la Teoría cuántica (1928) y recorrió varios países impartiendo cursos y conferencias (Japón, Estados Unidos, India, etc.). A comienzos de los años treinta -cuando, merced al desarrollo de su trabajo anterior, elaboró, junto a Pauli, un método de cuantización que permitía determinar un espacio cuadriculado-, puede afirmarse que ya era una de los científicos más célebres y reputados de todo el mundo. Por aquel tiempo, compaginando sus labores docentes con su infatigable vocación investigadora, publicó un amplio ensayo, conformado por tres partes, en el que se atrevía a proponer una novedosa teoría sobre el núcleo del átomo. Allí hablaba de una estructura nuclear afectada por interacciones energéticas de sus respectivos componentes, al tiempo que describía las estabilidades de cada uno de ellos. Con esta obra, publicada en 1932 -año en el que todos sus méritos científicos fueron reconocidos con la entrega del Premio Nobel-, Heisenberg sentaba los fundamentos básicos para el estudio del núcleo atómico a la luz de la Teoría cuántica.

Paradójicamente, a medida que su figura se iba agigantando en todo el mundo, en la Alemania nazi de los años treinta el científico bávaro comenzó a encontrar serios obstáculos que impedían el desarrollo de sus investigaciones y el progreso de su carrera docente. Los nazis, neciamente confundidos por la ascendencia judía de numerosos físicos europeos y americanos, habían llegado a la torpe conclusión de que la Mecánica cuántica y la Teoría de la Relatividad eran productos de la mentalidad y la idiosincrasia del pueblo hebreo, y se habían propuestos substituirlas por lo que denominaban la “Matemática y la Física alemanas”. Heisenberg -que, a pesar de su apellido y sus antecedentes, no profesaba el judaísmo-, se vio inmediatamente acosado por las instancias oficiales del nacionalsocialismo, que le impidieron ocupar el puesto docente que dejaba vacante Sommerfeld en la Universidad de Múnich.

La prensa afín al gobierno y al partido nazi le acusó con saña de ocuparse de la Ciencia con “procedimientos judíos”, con tal insistencia que consiguió que las SS se atreviesen a formular graves cargos contra su persona. A mediados de 1938, la situación de Heisenberg en su propio país había llegado a ser tan inestable que tuvo salir a la palestra el propio Himmler (1900-1945) para, instado por la todavía relevante familia del científico, conseguir que se le exonerase de todas las imputaciones injustas que habían recaído sobre él.

A pesar de su delicada situación en la Alemania nazi, Werner K. Heisenberg se negaba a abandonar su país, donde aspiraba a vivir felizmente en compañía de su reciente esposa (la joven Elisabeth Schumacher, trece años menor que él, con la que se había casado en 1937). Siguió, incluso, desestimando la idea del exilio después de que numerosos científicos y políticos norteamericanos tratasen de persuadirle de que se quedase en los Estados Unidos, en el transcurso de un viaje que le había llevado hasta allí en julio de 1939, dos meses antes del comienzo de la II Guerra Mundial (1939-1945).

De nuevo en su tierra natal, el Heisenberg que había sido rehabilitado por el propio Himmler ante los poderes fácticos nazis recibió el encargo, por parte de las autoridades gubernamentales, de ponerse al frente del programa de armamento nuclear. Heisenberg y su nuevo colaborador Otto Hahn (1879-1968) -uno de los descubridores de la fisión nuclear- lograron construir un potente reactor nuclear, pero fracasaron en el intento de desarrollar unas armas nucleares de la eficacia y el poder devastador exigidos por el gobierno alemán. Con el paso del tiempo, corrió el rumor de que el científico de Würzburgo no había puesto demasiado empeño en fabricar el arsenal nuclear que le demandaban las autoridades nazis.

Pese a todo, en las postrimerías de la conflagración bélica internacional Heisenberg fue conducido a Gran Bretaña junto con otros relevantes físicos que habían colaborado en el proyecto nuclear alemán. Todos ellos quedaron recluidos en Farm Hall, una edificación emplazada en Godmanchester, cerca de Cambridge, donde, durante algún tiempo, permanecieron bajo la vigilancia de los servicios de inteligencia británicos. Durante dicho período de reclusión forzosa, las conversaciones de Heisenberg y sus colegas, captadas en secreto por espías del bando aliado, fueron puestas en conocimiento del general norteamericano Grove, responsable militar del denominado proyecto Manhattan, cuyo desarrollo condujo a los Estados Unidos a la posesión y utilización de la primera bomba atómica. Al parecer, muchos de los datos obtenidos por medio de estas grabaciones secretas fueron bien aprovechados por el equipo de científicos que, al frente de Oppenheimer (1904-1967), fabricó en el laboratorio de Los Álamos (Nuevo México) el arma más devastadora que jamás se había conocido.

Heisenberg, que durante dicho período de reclusión en el Reino Unido tuvo noticia de los estallidos de Little Boy y Fat Man -nombres con que los americanos habían bautizado a las bombas que arrojaron en, respectivamente, Hiroshima y Nagasaki-, regresó a Alemania, exonerado de cualquier cargo, en 1946. Allí fue puesto al frente del Instituto Max Planck de Física y Astrofísica, sito en Göttingen, que fue trasladado a Múnich en 1958. El científico bávaro continuó dirigiendo dicha institución, en su nuevo emplazamientos, hasta 1970, año en el que se retiró de cualquier actividad laboral para vivir una feliz jubilación, volcado hacia una de sus grandes aficiones: la música clásica. Heisenberg, que era un consumado pianista, había conocido en un concierto a su esposa Elisabeth, con la que llegó a ser padre de siete hijos.

En plena madurez, Werner K. Heisenberg se sintió poderosamente atraído por la Filosofía, y, en especial, por esa parte del pensamiento occidental que pone en relación la evolución social y espiritual del hombre con los avances de la Ciencia. Enfrascado en esta nueva vertiente de sus investigaciones, dio a la imprenta algunos ensayos filosóficos tan valiosos como los titulados Física y Filosofía (1962) y Más allá de la Física (1971).

El principio de incertidumbre

Durante su fecundo período de colaboración en la Universidad de Göttingen, Werner K. Heisenberg, Max Born y Pascual Jordan pudieron ir perfilando una versión definitiva de la nueva teoría cuántica, cuyas novedosas leyes acerca de los movimientos dentro de la estructura atómica configuraban una Dinámica que permitía calcular las propiedades de los átomos. La gran aportación de los tres científicos venía demostrar, de un modo concluyente, que las leyes de la Mecánica tradicional enunciadas por Newton (1642-1727), plenamente válidas para el cálculo de las órbitas planetarias, era insuficiente, empero, para describir dichas propiedades del átomo.

Sin embargo, Heisenberg y sus dos colegas no estaban totalmente satisfechos con su formulación teórica de lo que más tarde habría de ser denominado Mecánica cuántica, y ello a pesar de haber comprobado que sus especulaciones teóricas concordaban con todas las verificaciones experimentales que habían podido llevar a cabo en los laboratorios de Göttingen. La insatisfacción de los tres científicos -y, muy señaladamente, la de Heisenberg- procedía de las dificultades de interpretar sus teorías como imágenes de la realidad, ya que el mundo material que nos rodea (y la imagen visual que de él tenemos) está directamente relacionado con las leyes de la Mecánica tradicional, por lo que no tiene analogía alguna con lo establecido por la Mecánica cuántica. Dicho de otro modo, las imágenes visuales que nos ofrece, de un modo convencional, nuestra experiencia cotidiana no tienen parangón alguno en los dominios de la microfísica, es decir, en el microcosmos conformado por un átomo.

Enfrascado en la búsqueda de alguna estructura nueva que tuviese cabida en la teoría cuántica -labor en la que también se afanaba Niels Bohr, tras haber conocido y aprobado las aportaciones de los tres científicos de Göttingen-, Heisenberg dio en formular el denominado principio de indeterminación o incertidumbre, con el que por fin podía dar cuenta de un rasgo específico de la Mecánica cuántica que no tenía cabida en la Mecánica tradicional de Newton.

En virtud de este principio, existen determinados pares de variables físicas (como la posición y el momento de una partícula, entendiendo por momento el producto de su masa por su velocidad) que jamás pueden ser calculados de un modo simultáneo con la máxima exactitud, ya que, cuando se repite el cálculo del momento y la posición de una partícula cuántica concreta (en el caso más corriente, de un electrón), resulta inevitable que cada uno de los cálculos realizados fluctúe en torno a ciertos valores medios. Según dejó establecido Heisenberg en su célebre principio de indeterminación, el producto de esas incertidumbres que reflejan los cálculos jamás pueden reducirse a cero, algo que sí podría lograrse si la posición y el momento del electrón estuviesen sujetos a las leyes enunciadas por Newton; y llegó incluso a demostrar que, de hecho, el producto de las incertidumbres de ambas magnitudes debe ser siempre mayor que una constante que depende de h, es decir, de la constante de Planck (1858-1947).

Por consiguiente, la Mecánica cuántica sólo permite conocer una distribución de la probabilidad de dichos cálculos, lo que equivale a afirmar que sus aserciones son intrínsecamente estadísticas. Naturalmente, estas ideas de Heisenberg conmocionaron a los científicos y a los filósofos de todo el mundo, ya que venían a dar por buena la implicación del indeterminismo en los mismos orígenes del universo y de la materia; y, por tanto, a abolir la suposición tradicional de que la Ciencia podía explicar con absoluta precisión cualquier fenómeno natural.

Autor

  • J. R. Fernández de Cano.